IT201900003469A1

IT201900003469A1 - Cyclocapacitor

Info

Publication number: IT201900003469A1
Application number: IT102019000003469A
Authority: IT
Inventors: Filippo Greco
Original assignee: Techinvest S R L
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2020-09-12

Description

DESCRIZIONE dell’Invenzione avente per Titolo: "Ciclocondensatore" DESCRIPTION of the Invention entitled: "Cyclocapacitor"

CAMPO DELLA TECNICA DI RIFERIMENTO FIELD OF REFERENCE TECHNIQUE

L'invenzione descritta si inquadra nel campo dei dispositivi termotecnici per il trattamento dei fluidi refrigeranti, la trasmissione di calore ed il recupero energetico. The described invention falls within the field of thermotechnical devices for the treatment of refrigerant fluids, the transmission of heat and energy recovery.

STATO DELLA TECNICA STATE OF THE TECHNIQUE

Gli scambi termici avvengono spontaneamente tra corpi a diversa temperatura ed il calore fluisce dal corpo a temperatura maggiore a quello a temperatura minore. Questo principio termodinamico è applicato nei comuni cicli diretti. In campo tecnico, tuttavia, è spesso utile operare con cicli inversi, chiamati anche cicli frigoriferi, mediante i quali viene assorbito calore da un corpo più freddo e ceduto ad un corpo più caldo, realizzando nella pratica il trasferimento di calore nel verso opposto a quello spontaneo. Per ottenere questo risultato è necessario disporre di un impianto opportuno genericamente denominato macchina a ciclo frigorifero o macchina frigorifera che, nello specifico, è definita pompa di calore, se l’obiettivo è quello di riscaldare ulteriormente il corpo a temperatura superiore, o macchina frigorifera, se l’obiettivo è quello di raffreddare ulteriormente il corpo a temperatura inferiore. Heat exchanges occur spontaneously between bodies at different temperatures and heat flows from the body at a higher temperature to that at a lower temperature. This thermodynamic principle is applied in common direct cycles. In the technical field, however, it is often useful to operate with reverse cycles, also called refrigeration cycles, by which heat is absorbed by a colder body and transferred to a warmer body, thus realizing the transfer of heat in the opposite direction to that. spontaneous. To obtain this result it is necessary to have a suitable system generically called refrigeration cycle machine or refrigeration machine which, specifically, is defined as heat pump, if the goal is to further heat the body at a higher temperature, or refrigeration machine, if the goal is to further cool the body to a lower temperature.

I cicli frigoriferi, a funzionamento inverso rispetto a quelli termodinamici diretti, utilizzati per la convenzionale generazione di lavoro meccanico, devono pertanto necessariamente assorbire lavoro dall’esterno. Ciò avviene attraverso una fase di compressione (realizzata mediante un gruppo di compressione, generalmente costituito da un normale compressore meccanico o anche da un “compressore termico” o gruppo di assorbimento nel caso delle macchine frigorifere ad assorbimento che operano cicli inversi in assenza di lavoro meccanico grazie ad un generatore termico esterno), ed un condensatore ed un evaporatore all’interno dei quali transita e cambia di stato un opportuno fluido refrigerante. The refrigeration cycles, with reverse operation compared to direct thermodynamic ones, used for the conventional generation of mechanical work, must therefore necessarily absorb work from the outside. This occurs through a compression phase (carried out by means of a compression group, generally consisting of a normal mechanical compressor or even a "thermal compressor" or absorption group in the case of absorption refrigeration machines that operate reverse cycles in the absence of mechanical work thanks to an external heat generator), and a condenser and an evaporator inside which a suitable refrigerant fluid transits and changes state.

Nel lessico comune si parla, semplificando, di refrigeratori e pompe di calore senza fare precisazioni e distinzioni eccessive. In the common lexicon we speak, simplifying, of chillers and heat pumps without making excessive clarifications and distinctions.

Nella realizzazione pratica delle pompe di calore e refrigeratori, a seconda delle performance energetiche e dell’importanza dell’impianto, la configurazione impiantistica può prevedere l’inserimento di altri dispositivi quali desurriscaldatori, sottoraffreddatori, ricevitori, disidratatori, filtri, accumulatori, ecc. ma in ogni caso sono necessari il condensatore e, nel caso di compressore meccanico, più comunemente utilizzato, un separatore di olio. Infatti, nel normale funzionamento e soprattutto nei transitori di avviamento, il fluido in compressione all’interno del compressore meccanico trasporta per trascinamento una certa quantità di olio lubrificante risultando inquinato da quest’ultimo. Il compressore stesso, se questa quantità di olio lubrificante non venisse in qualche modo ripristinata al suo interno, a lungo andare giungerebbe a condizioni di malfunzionamento e danneggiamento in seguito a grippaggio. In the practical implementation of heat pumps and chillers, depending on the energy performance and the importance of the system, the plant configuration may include the insertion of other devices such as desuperheaters, subcoolers, receivers, dehydrators, filters, accumulators, etc. but in any case the condenser and, in the case of a mechanical compressor, more commonly used, an oil separator are required. In fact, in normal operation and especially in start-up transients, the compressed fluid inside the mechanical compressor carries a certain amount of lubricating oil by dragging and is polluted by the latter. The compressor itself, if this quantity of lubricating oil is not somehow restored inside it, in the long run it would come to malfunction and damage conditions following seizure.

Per consentire al fluido refrigerante di svolgere correttamente la sua funzione e soprattutto per ripristinare la corretta quantità di olio di lubrificazione del compressore si rende quindi necessaria la loro separazione ed il ritorno dell’olio nel carter del compressore stesso. Tale operazione viene assicurata da un dispositivo, collocato a valle del compressore, denominato in genere “separatore di olio”. To allow the refrigerant fluid to perform its function correctly and above all to restore the correct amount of compressor lubrication oil, it is therefore necessary to separate them and return the oil to the compressor crankcase itself. This operation is ensured by a device, located downstream of the compressor, generally known as the "oil separator".

Una delle modalità di separazione dell’olio dalla corrente di refrigerante aeriforme è quella di farla transitare all’interno di un separatore ciclonico (o centrifugo), detto comunemente ciclone. Si tratta di un dispositivo normalmente impiegato per la depurazione di un fluido dalle impurità presenti. Il fluido da depurare entra nella parte superiore del ciclone da un ingresso tangenziale che induce un moto a spirale discendente. Per effetto della forza centrifuga generata dal moto, le particelle aventi maggiore densità della corrente fluida principale vengono proiettate sulla parete circostante dove scivolano per gravità nella parte conica inferiore del ciclone fino alla zona di raccolta ed estrazione. La corrente fluida, ripulita dalle impurità trasportate, ad una certa quota, in prossimità della parte terminale del tratto conico, si dirige verso l’asse del ciclone, risalendo verso l’alto all’interno di un condotto cilindrico separato (in genere realizzato lungo l’asse del ciclone) fino all’uscita dal dispositivo, posta in genere sulla sua sommità. One of the ways of separating the oil from the stream of gaseous refrigerant is to make it pass inside a cyclone (or centrifugal) separator, commonly called a cyclone. It is a device normally used for the purification of a fluid from the impurities present. The fluid to be purified enters the upper part of the cyclone from a tangential inlet which induces a descending spiral motion. Due to the centrifugal force generated by the motion, the particles having a higher density than the main fluid stream are projected onto the surrounding wall where they slide by gravity into the lower conical part of the cyclone up to the collection and extraction area. The fluid current, cleaned of transported impurities, at a certain altitude, near the terminal part of the conical section, moves towards the axis of the cyclone, rising upwards inside a separate cylindrical duct (generally made along axis of the cyclone) to the exit from the device, generally located on its top.

Date le modalità di processo della pompa di calore/macchina frigorifera, sia il separatore di olio che il desurriscaldatore, il condensatore ed il successivo sottoraffreddatore devono disperdere una certa quantità di calore che però viene recuperato solo parzialmente (dal desurriscaldatore, dal condensatore e dal sottoraffreddatore, anche limitatamente ad uno o due di questi dispositivi) nei soli impianti di una certa taglia poiché in tal caso la maggiore complessità è compensata da un vantaggio economico. Comunemente, invece, il separatore di olio e spesso anche il desurriscaldatore, lo stesso condensatore ed il successivo sottoraffreddatore non sono configurati per ottenere il recupero del calore dissipato nel processo per via delle complicazioni impiantistiche e del maggior costo che ciò comporta. Given the process methods of the heat pump / refrigeration unit, both the oil separator and the desuperheater, the condenser and the subsequent subcooler must disperse a certain amount of heat which, however, is only partially recovered (from the desuperheater, the condenser and the subcooler. , even limited to one or two of these devices) only in plants of a certain size since in this case the greater complexity is offset by an economic advantage. Commonly, however, the oil separator and often also the desuperheater, the condenser itself and the subsequent subcooler are not configured to obtain the recovery of the heat dissipated in the process due to the system complications and the higher cost that this entails.

In particolare, quasi mai il separatore di olio è coibentato. Ne deriva una perdita energetica che invece potrebbe essere evitata sia per ottenere sempre il surriscaldamento dello stesso fluido refrigerante a valle dell’evaporatore (soluzione in genere adottata solo negli impianti di una certa taglia) sia per l’alimentazione termica di utenze esterne. In particular, the oil separator is almost never insulated. The result is an energy loss that could instead be avoided both to always obtain the overheating of the same refrigerant fluid downstream of the evaporator (a solution generally adopted only in systems of a certain size) and for the thermal power supply of external users.

OBIETTIVO CHE SI INTENDE RAGGIUNGERE GOAL THAT IS INTENDED TO ACHIEVE

L’adozione del dispositivo qui descritto consente di raggiungere diversi obiettivi: 1) si possono integrare da due a quattro diversi componenti, a seconda delle prestazioni richieste: The adoption of the device described here allows to achieve different objectives: 1) from two to four different components can be integrated, depending on the required performance:

a) separatore di olio desurriscaldatore a) desuperheater oil separator

b) separatore di olio desurriscaldatore condensatore b) condenser desuperheater oil separator

c) separatore di olio desurriscaldatore condensatore sottoraffreddatore; 2) si può ottenere il massimo recupero termico con un unico componente; c) oil separator desuperheater condenser subcooler; 2) maximum heat recovery can be achieved with a single component;

3) si può ottenere un recupero termico conveniente anche per gli impianti di piccola taglia; 3) a convenient heat recovery can be obtained even for small plants;

4) si può intervenire facilmente sia in sede di progettazione che di regolazione per ottenere la massima efficienza di processo. 4) you can easily intervene both in the design and in the regulation to obtain maximum process efficiency.

Pertanto, il ciclocondensatore qui descritto permette in modo semplice ed economico di deoliare la corrente frigorigena con un filtro fluidodinamico di configurazione e mantenimento semplici ed economici e di ottenere il massimo recupero termico senza alcuna rinuncia di processo e con ridotte complicazioni impiantistiche. Therefore, the cyclo-condenser described here allows in a simple and economical way to de-oil the refrigerant current with a fluid dynamic filter of simple and economical configuration and maintenance and to obtain the maximum heat recovery without any process sacrifice and with reduced plant complications.

ANALISI DEL RISULTATO RESULT ANALYSIS

Il dispositivo (vedansi figure 1 e 2, rispettivamente sezione frontale e vista dall’alto) che si intende brevettare è individuabile come “ciclocondensatore” ed è costituito da un normale separatore ciclonico e da serpentine di tubo metallico inseriti entro un contenitore coibentato provvisto di un ingresso per un fluido liquido (p. es. acqua) nella parte inferiore e di un’uscita nella parte superiore. The device (see Figures 1 and 2, respectively front section and top view) that we intend to patent can be identified as a "cyclo-condenser" and consists of a normal cyclone separator and metal tube coils inserted into an insulated container equipped with a inlet for a liquid medium (eg water) at the bottom and an outlet at the top.

In corrispondenza dell’ingresso o dell’uscita è inserita una valvola di regolazione delia portata per consentire il controllo della temperatura del volume liquido. Per lo stesso scopo è anche inserita una resistenza elettrica di emergenza, posta all’interno del serbatoio dell’olio. La parte inferiore conica del ciclone termina in un serbatoio dove viene raccolto l’olio, separato dal fluido gassoso, che cola verso il basso per gravità. Detto serbatoio di raccolta scarica quindi all’esterno, attraverso una valvola di intercettazione, nel carter del compressore. A flow rate adjustment valve is inserted at the inlet or outlet to allow the temperature of the liquid volume to be controlled. For the same purpose, an emergency electric resistance is also inserted, placed inside the oil tank. The conical lower part of the cyclone ends in a tank where the oil is collected, separated from the gaseous fluid, which flows downwards by gravity. Said collection tank then discharges externally, through an interception valve, into the compressor crankcase.

All’uscita dal ciclone, nella sua parte superiore, la corrente aeriforme viene indirizzata verso il basso ad una o più serpentine di tubo metallico, con elica cilindrica o conica, collocate nella parte inferiore del contenitore coibentato. Tali serpentine, che di fatto rappresentano uno scambiatore di calore tra la corrente frigorigena ed il liquido fluente verso l’alto all’interno del contenitore coibentato, si sviluppano verso il basso, a partire dal livello del serbatoio di raccolta dell’olio, per una lunghezza adeguata agli intenti di progetto che possono essere quelli di desurriscaldare, condensare o anche sottoraffreddare la corrente di vapore refrigerante. Upon exiting the cyclone, in its upper part, the gaseous stream is directed downwards to one or more coils of metal pipe, with cylindrical or conical helix, located in the lower part of the insulated container. These coils, which in fact represent a heat exchanger between the refrigerating current and the liquid flowing upwards inside the insulated container, develop downwards, starting from the level of the oil collection tank, for a length suitable for the design purposes, which may be those of desuperheating, condensing or even subcooling the refrigerant vapor stream.

Il controllo della temperatura del volume di fluido è particolarmente importante dal momento che occorre assicurare che dentro il serbatoio di raccolta dell’olio vi sia una temperatura sufficiente a mantenere il vapore frigorigeno in condizioni di sovrasaturazione senza principi di condensazione, in modo che nel serbatoio in fondo al ciclone sia raccolto solo olio e non anche condensato. Tale fenomeno, più accentuato durante i transitori di funzionamento, è possibile a causa del raffreddamento delle pareti del ciclone per via dello scambio termico con il volume liquido nella parte superiore del contenitore coibentato e viene quindi contrastato sia con la regolazione della portata del fluido liquido mediante la valvola posta all’ingresso o all’uscita, sia con l’azionamento in emergenza della resistenza elettrica. Entrambi questi componenti sono comandati da un apposito controllo della temperatura del cielo del serbatoio di raccolta dell’olio. The temperature control of the fluid volume is particularly important since it is necessary to ensure that there is a sufficient temperature inside the oil collection tank to maintain the refrigerant vapor in supersaturation conditions without condensation principles, so that in the tank in at the bottom of the cyclone only oil is collected and not condensed. This phenomenon, which is more accentuated during operating transients, is possible due to the cooling of the walls of the cyclone due to the heat exchange with the liquid volume in the upper part of the insulated container and is therefore counteracted both by adjusting the flow rate of the liquid fluid by means of the valve located at the inlet or outlet, both with the emergency activation of the electrical resistance. Both of these components are controlled by a special control of the temperature of the top of the oil collection tank.

Altra azione di contrasto viene svolta grazie alla coibentazione delle pareti del ciclone fino alla quota di inversione del moto del fluido. Another contrasting action is carried out thanks to the insulation of the walls of the cyclone up to the level of inversion of the motion of the fluid.

Nel serbatoio di raccolta dell’olio è anche inserito un opportuno controllo di livello che regola l’apertura della valvola di scarico dello stesso, all’uscita del contenitore coibentato, in modo da mantenere costante la quantità di olio nel serbatoio ed evitare eccessivi depauperamenti di olio nel carter del compressore. An appropriate level control is also inserted in the oil collection tank that regulates the opening of the drain valve of the same, at the outlet of the insulated container, in order to keep the quantity of oil in the tank constant and to avoid excessive depletion of oil in the compressor crankcase.

In conclusione, con l’unico dispositivo qui descritto si estrae l’olio dalla corrente aeriforme che poi, con scambiatori a serpentina, viene desurriscaldata, condensata e sottoraffreddata, a seconda delle scelte di processo. Nel contempo, il calore estratto viene recuperato totalmente da un liquido di raffreddamento in transito ascendente all’interno del contenitore coibentato per renderlo disponibile sia per il surriscaldatore dello stesso impianto che per altre utenze da alimentare con energia termica. In conclusion, with the only device described here, the oil is extracted from the gaseous stream which then, with coil exchangers, is desuperheated, condensed and subcooled, depending on the process choices. At the same time, the extracted heat is totally recovered by a cooling liquid in ascending transit inside the insulated container to make it available both for the superheater of the same system and for other users to be supplied with thermal energy.

Claims

CLAIMS (6) 1. Oil separator and heat recovery device in refrigeration cycles, consisting of an insulated cylindrical container equipped with one or more inlets and one or more outlets, both in the upper and lower part, in which a cooling liquid flows, and containing: • a cyclonic (or centrifugal) separator, commonly called cyclone, with one or more inlets from the outside of the container, in the upper part of the device • an oil collection tank connected at the top to the cyclone discharge mouth and from the other at the bottom to the outside of the cylindrical container • one or more coils of metal pipe, with cylindrical or conical development and with an axis parallel to that of the cylindrical container • an electrical resistance placed inside the collection tank characterized by the fact that the coils are connected at the top to the upper outlet of the cyclone and at the bottom outside the container; 2. Device according to claim 1, characterized in that the upper coil of the coils is located at the level of the collection tank; 3. Device according to claim 1, characterized in that the collection tank is provided with a temperature control; 4. Device according to claim 1, characterized in that the walls of the cyclone are insulated with material having a thermal conductivity of between 0.01 and 1.00 W M <-1> K <-1>; 5. Device according to claim 1. characterized in that the insulation of the container is made with insulating material with thermal conductivity comprised between 0.01 and 1.00 W m <-1> K <-1>; 6. Device according to claim 1, characterized in that the temperature regulation in the collection tank is carried out by regulating the flow rate of the coolant instead of by means of the electrical resistance.