IT201900010215A1

IT201900010215A1 - Dispositivo essiccatore per il trattamento di gas, in particolare aria

Info

Publication number: IT201900010215A1
Application number: IT102019000010215A
Authority: IT
Original assignee: Mta Spa; Univ Degli Studi Padova
Priority date: 2019-06-26
Filing date: 2019-06-26
Publication date: 2020-12-26
Also published as: ES2953060T3; US11707711B2; EP3757468A1; EP3757468B1; US20210008494A1

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione ha per oggetto un dispositivo essiccatore di gas ed un’unità per il trattamento di gas, in particolare aria, comprendente lo stesso, del tipo comprendente le caratteristiche menzionate nel preambolo della rivendicazione 1 .

Nell’ambito degli impianti tecnici per il trattamento dei gas compressi è noto utilizzare unità destinate all’abbassamento dell’umidità in gas compressi formate da un essiccatore associato ad un circuito frigorifero.

In tali unità una portata d’aria da essiccare viene raffreddata, tramite il circuito frigorifero, fino alla temperatura del punto di rugiada, in maniera tale che, a seguito del passaggio in un separatore di condensa, possa essere abbassato il livello di umidità.

Per poter ottimizzare il funzionamento del circuito frigorifero, in particolare in termini di efficienza energetica, è noto l’utilizzo di masse termiche in corrispondenza dell’evaporatore, ovverosia della zona nella quale avviene lo scambio termico tra il fluido frigorifero e l’aria da essiccare.

Un esempio di tale soluzione è descritto nel brevetto europeo EP 405613 nel quale viene utilizzata sabbia quale massa termica.

Ulteriore soluzione è descritta in US 8,857,207, nel quale viene suggerito l’utilizzo di un materiale a cambiamento di fase (Phase Change Material o PCM) quale massa termica da utilizzarsi nell’evaporatore.

La soluzione descritta in US 8,857,207, o in altri documenti brevettuali, come ad esempio US 8,443,868, non si rivelano tuttavia ottimali dal punto di vista dello scambio termico e non riescono a sfruttare in maniera adeguata la capacità di accumulo di calore offerta dal PCM.

Inoltre, anche dal punto di vista dell'industrializzazione tali soluzioni non si rivelano particolarmente adatte, richiedendo soluzioni specificatamente realizzate per l’alloggiamento del materiale a cambiamento di fase.

Questo ha inoltre un’incidenza negativa sugli ingombri dell’essiccatore che sarebbe al contrario auspicabile potesse essere realizzato in forma compatta. Il problema tecnico alla base della presente invenzione è quello di fornire un dispositivo essiccatore di gas, in particolare aria, strutturalmente e funzionalmente concepito così da consentire di ovviare almeno in parte ad uno o più degli svantaggi sopra menzionati con riferimento alla tecnica nota.

Nell’ambito di tale problema, uno scopo della presente invenzione è quello di migliorare nel complesso l’efficienza energetica ai carichi parziali in un dispositivo essiccatore rispetto alle soluzioni note.

Ulteriore scopo è quello di fornire un dispositivo essiccatore che consenta di sfruttare in maniera ottimale le proprietà di accum ulo termico dei materiali a cambiamento di fase permettendo di ottenere una maggior stabilità della temperatura dell’aria in uscita ed in particolare durante i transitori di funzionamento del dispositivo.

È inoltre scopo della presente invenzione realizzare un dispositivo essiccatore che sia facilmente industrializzabile e che sia ottim izzato in termini di ingombri.

Tale problema è risolto dal dispositivo essiccatore secondo la rivendicazione 1 e da un’unità per il trattamento di gas, in particolare aria, comprendente lo stesso.

Sarà apprezzato che nel dispositivo essiccatore secondo la presente invenzione è prevista la presenza di un evaporatore formato da una pluralità di strati, preferibilmente raggruppati a pacchetto, che comprendono almeno un primo strato configurato per ricevere un fluido frigorifero che viene fornito da un circuito frigorifero, almeno un secondo strato per ricevere l’aria/gas da essiccare ed una pluralità di terzi strati nei quali è presente un materiale a cambiamento di fase.

Secondo un aspetto dell'invenzione, gli strati sono disposti in una successione che comprende, alternati, un primo strato, un terzo strato, un secondo strato ed un ulteriore terzo strato.

La richiedente ha osservato che tale disposizione consente di sfruttare in maniera ottimale le capacità di accumulo termico fornite dal materiale a cambiamento di fase, permettendo di conseguenza un miglioramento dell’efficienza ai carichi parziali del dispositivo essiccatore.

Inoltre, tale disposizione si presenta particolarmente vantaggiosa al fine di utilizzare nell’evaporatore scambiatori di tipo a piastre ed alette, anche denominati plate and fins.

Sarà infatti apprezzato che, secondo un altro aspetto dell'invenzione, ciascuno dei primo strato, secondo strato e terzo strato comprende una piastra ed una pluralità di alette, in appoggio su una superficie principale della piastra. Vantaggiosamente, le alette formano una pluralità di canali per il passaggio rispettivamente del fluido frigorifero, e per l’aria/gas da essiccare e per contenere il materiale a cambiamento di fase.

Anche tale aspetto contribuisce ad ottimizzare l’efficienza del dispositivo essiccatore e permette di realizzare una soluzione facilmente industrializzabile, consentendo inoltre di adottare metodologie costruttive comuni alla realizzazione anche di dispositivi essiccatori che non prevedono l’utilizzo di materiali a cambiamento di fase.

In alcune forme di realizzazione dell’Invenzione, gli strati sono tra loro affiancati in detta successione in corrispondenza di una rispettiva piastra, a beneficio della compattezza della struttura.

Ulteriori aspetti preferiti dell’invenzione sono definiti nelle rivendicazioni dipendenti.

Inoltre, altri vantaggi, caratteristiche e le modalità d’impiego della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di alcune forme di realizzazione, presentate a scopo esemplificativo e non limitativo. Verrà fatto riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:

la figura 1 è un’illustrazione schematica di un’unità per il trattamento di aria/gas secondo la presente invenzione;

la figura 2 è una vista laterale di un dispositivo essiccatore di aria/gas secondo la presente invenzione, utilizzato all’interno dell’unità per il trattamento di aria/gas di figura 1 ;

la figura 3 è una vista prospettica, in esploso, del dispositivo essiccatore di figura 2;

le figure 4A e 4B sono rispettivamente una vista prospettica, in esploso, ed una illustrazione schematica, di una successione di strati utilizzati in un evaporatore del dispositivo essiccatore secondo la presente invenzione;

le figure 4A e 4B sono rispettivamente una vista prospettica, in esploso, ed una illustrazione schematica, della successione di strati dell’evaporatore in una variante di realizzazione; e la figura 6 è una vista laterale del dispositivo essiccatore della presente invenzione secondo una forma di realizzazione alternativa.

Con riferimento inizialmente alla figura 1 , un’unità per il trattamento di gas, in particolare aria, è indicata schematicamente nel suo complesso con il numero 100.

L’unità di trattamento 100 è destinata ad abbassare il livello di umidità contenuto in una portata d’aria, o di altro gas, e comprende un circuito frigorifero 101 ed un dispositivo essiccatore 10.

Come schematicamente illustrato in figura, il circuito frigorifero 101 comprende un compressore frigorifero 1 1 1 , destinato alla compressione di un fluido frigorifero, ad esempio formato da un gas refrigerante, per spingerlo attraverso un condensatore 1 12 dove viene condensato in forma di liquido ad alta pressione.

Il liquido passa poi attraverso un organo di laminazione 1 13 e fluisce in un evaporatore 2 che, come sarà illustrato in maggiore dettaglio a seguire, è preferibilmente integrato nel dispositivo essiccatore 10.

Il fluido frigorifero pertanto potrà essere utilizzato nel dispositivo essiccatore 10, illustrato in dettaglio nelle figure 2 e 3, per abbassare la temperatura della portata di aria, preferibilmente fino al punto di rugiada, e permettere la separazione della condensa dall'aria ed abbassarne conseguentemente il livello di umidità con tecniche comparabili a quelle utilizzate nelle soluzioni di essiccazione note.

Come precedentemente accennato, l’evaporatore 2 è preferibilmente integrato all’interno del dispositivo essiccatore 10 ed è formato come uno scambiatore termico le cui caratteristiche saranno illustrate in dettaglio a seguire.

L’evaporatore è inoltre associato ad uno scambiatore aria-aria 1 che include un ingresso 1 1 per il gas da essiccare ed è interfacciato con l’evaporatore 2 in maniera tale da fornire la portata di aria da essiccare, immessa tramite l’ingresso 1 1 , all’evaporatore 2.

Preferibilmente, lo scambiatore aria-aria 1 è disposto, in uso, in posizione verticalmente superiore all’evaporatore 2.

Sarà apprezzato che nel contesto della presente invenzione con i termini verticale e verticalmente viene fatto riferimento alla direzione definita dalla gravità e quindi ad una direzione perpendicolare ad una superficie di appoggio piana.

Come illustrato in figura 2, la portata di gas effettua un percorso P all’interno del dispositivo 10 che, preferibilmente, prevede il passaggio del gas attraverso lo scambiatore aria-aria 1 , la sua immissione nell’evaporatore 2 e, in uscita da questo, il transito attraverso uno separatore di condensa 3, preferibilmente connesso ad un relativo scarico 30, questi ultimi illustrati schematicamente in figura 1 .

In alcune forme di realizzazione, il gas, una volta uscito dall’evaporatore 2 e passato attraverso il separatore di condensa 3, viene reimmesso all’interno dello scambiatore aria-aria 1 per effettuare uno scambio termico, preferibilmente in controcorrente, con l’aria/gas immesso attraverso l’ingresso 1 1. Successivamente allo scambio termico, l’aria/gas così essiccato viene fatto uscire dal dispositivo 10 tramite una rispettiva uscita 12.

In alcune forme di realizzazione, l’ingresso 1 1 e l’uscita 12 dell’aria/gas da essiccare sono disposte, in uso, in corrispondenza di una porzione superiore del dispositivo essiccatore 10, preferibilmente una affiancata all’altra.

Preferibilmente, lo scambiatore aria-aria 1 comprende una pluralità di strati di ingresso 13, disposti controcorrente ed alternati ad una pluralità di strati di uscita 14. Tali strati possono essere formati tramite pacchi alettati che formano, complessivamente, uno scambiatore di calore di tipo plate and fins. I flussi provenienti dai vari strati sono raccolti tramite rispettivi collettori. In alcune forme di realizzazione, gli strati di ingresso prevedono un rispettivo collettore di ingresso 18 ed un collettore di uscita 16, collocati in corrispondenza di estremità opposte dello scambiatore 1 lungo la direzione del flusso di gas da essiccare. I l collettore di ingresso 18 può estendersi lateralmente rispetto agli strati 13, così da consentire un posizionamento affiancato di ingresso 1 1 ed uscita 12.

Gli strati di uscita 14 possono presentare rispettivi collettori di ingresso 17 e di uscita 15, il primo essendo collocato lateralmente rispetto alla direzione del flusso, in maniera tale da non interferire con il flusso opposto.

Secondo un ulteriore aspetto dell'invenzione, all'interno dell’evaporatore 2 ha luogo lo scambio termico con il fluido frigorifero che, come precedentemente illustrato, viene fornito dal circuito frigorifero 101 associato al dispositivo essiccatore 10.

L’evaporatore 2 del dispositivo essiccatore della presente invenzione prevede inoltre la presenza di un materiale a cambiamento di fase o PCM termicamente associato al fluido frigorifero ed all'aria da essiccare.

Esempi di materiale idonei all’utilizzo come PCM sono rappresentati dai PCM Organici, come Paraffine o Acidi.

Sarà infatti apprezzato che l’evaporatore 2 del dispositivo secondo la presente invenzione comprende una pluralità di strati affiancati, che includono almeno un primo strato 21 nel quale circola il fluido frigorifero del circuito 101 , almeno un secondo strato 22 nel quale viene fatta transitare l’aria o altro gas da essiccare proveniente dallo scambiatore aria-aria 1 ed una pluralità di terzi strati 23 nel quale è presente il materiale a cambiamento di fase.

Preferibilmente ciascuno strato comprende una piastra, indicata rispettivamente con i riferimenti 210, 220, 230, ed una pluralità di alette, a loro volta indicate in figura con i riferimenti 21 1 , 221 , 231 . I n base a forme di realizzazione preferite, le alette possono essere collocate in appoggio su una superficie principale 210A, 220A, 230A della piastra, in maniera tale da formare una pluralità di canali all’interno del quali può essere presente l’aria da essiccare, il fluido frigorifero o il materiale a cambiamento di fase a seconda del tipo di strato.

In base ad un aspetto dell’invenzione, gli strati sono disposti in una successione 20 che comprende, alternati, un primo strato 21 , un terzo strato 23 un secondo strato 22 ed un ulteriore terzo strato 23, come illustrato nelle figure 4A e 4B. Tale successione può essere ripetuta all’interno dell’evaporatore nonché può essere interrotta una volta raggiunto il dimensionamento richiesto per l’evaporatore 2 in funzione dei dati di progetto del dispositivo essiccatore 10.

In questo modo viene formato un pacchetto di strati tra i quali ha luogo lo scambio termico.

In alcune forme di realizzazione, gli strati 21 , 22, 23 sono tra loro affiancati nella successione 20 in corrispondenza di una rispettiva piastra 210, 220, 230, con le loro superfici principali, corrispondente alla superficie di maggiori dimensioni della piastra, l’una affacciata all’altra. In altre parole, gli strati, che hanno preferibilmente uno sviluppo piano, si sono disposti l’uno parallelo all’altro.

Sarà anche apprezzato che nell’evaporatore 2 ciascuno degli strati interni nei quali transita l’aria/gas da essiccare o il fluido frigorifero è interposto tra due terzi strati contenenti il materiale a cambiamento di fase.

In alcune forme di realizzazione, gli strati esterni sono invece a contatto con un unico terzo strato, ovverosia gli strati di estremità dell’evaporatore sono formati da un primo strato 21 nel quale transita il fluido frigorifero o da un secondo strato 22 all’interno del quale transita l’aria/gas.

Con riferimento ora nuovamente alle figure 2 e 3, in alcune forme di realizzazione il liquido frigorifero è immesso all’interno dell’evaporatore 2 attraverso un collettore 222 collocato in corrispondenza di una porzione inferiore dell’evaporatore 2.

Il collettore 222 può essere collocato al di sotto dei secondi strati 22 oppure, in una variante realizzativa, illustrata in figura 6, lateralmente agli stessi, sempre in corrispondenza di una porzione inferiore.

L’uscita del liquido frigorifero può aver luogo tramite due collettori di uscita 223, tra i quali è preferibilmente collocato il collettore di uscita 16 dello scambiatore aria-aria che, vantaggiosamente, può svolgere anche la funzione di collettore di ingresso del gas da trattare verso l’evaporatore 2.

In maniera speculare, l’uscita del gas dall’evaporatore 2 ha luogo in corrispondenza della porzione inferiore dello stesso, tramite un rispettivo collettore 213.

Tale collettore raccoglie le portate di gas in uscita dai singoli strati, ed abbassate al punto di rugiada tramite lo scambio termico che ha luogo nell’evaporatore 2, per inviarle tramite un unico condotto al separatore di condensa 3.

Con riferimento ora in particolare alla figura 3, i terzi strati 23 contenenti il PCM sono anch’essi collegati a rispettivi collettori 232 destinati in questo caso allimmissione ed allo scarico del materiale all'interno dell’evaporatore 2. In questo modo può essere consentita la sostituzione o il reintegro del materiale a cambiamento di fase in caso di necessità.

Sarà quindi apprezzato che grazie alle forme di realizzazione sopra descritte, il dispositivo essiccatore 10 può essere realizzato con un soluzione compatta e facilmente integrabile all'interno dell’unità di trattamento 100.

Con riferimento ora alle figure 5A e 5B, in una variante realizzativa dell'invenzione, i terzi strati 23 sono configurati in maniera tale da ricevere al loro interno due differenti materiali a cambiamento di fase.

A tale scopo, in alcune forme di realizzazione, è previsto che gli strati 23 comprendano una prima porzione 23A ed una seconda porzione 23B, rispettivamente destinate a ricevere il primo ed il secondo materiale a cambiamento di fase.

Preferibilmente, la prima porzione 23A è disposta, in uso, in posizione verticalmente superiore rispetto alla seconda porzione 23B.

Questo consente vantaggiosamente di differenziare l’azione del materiale a cambiamento di fase tra la prima fase di scambio termico, che ha luogo nella porzione superiore dell’evaporatore, e la seconda fase dello scambio termico, che avviene nella parte inferiore.

L’invenzione risolve quindi il problema proposto, conseguendo al contempo una pluralità di vantaggi, tra cui la possibilità di sfruttare in maniera appropriata le caratteristiche dei materiali a cambiamento di fase, a beneficio dell’efficienza energetica dell’unità di trattamento.

Tali benefici sono tra l’altro particolarmente evidenti nelle fasi in cui l’unità opera a carico ridotto grazie alle capacità di assorbimento termico propria dei materiali a cambiamento di fase.

Inoltre, le forme e le caratteristiche del dispositivo essiccatore ne permettono una facile ingegnerizzazione e costruzione.

In aggiunta, il dispositivo secondo la presente invenzione consente di ottenere un miglior controllo del valore di umidità dell’aria/gas in uscita e minori variazioni dell’umidità durante il funzionamento nei transitori, in particolare durante le accensioni e gli spegnimenti del compressore.

Claims

RIVENDICAZIONI 1 . Dispositivo essiccatore (10) per il trattamento di un gas da essiccare, in particolare aria, comprendente uno scambiatore aria-aria ( 1 ) che include un ingresso (1 1 ) per il gas da essiccare ed un uscita ( 12) per il gas essiccato, un evaporatore (2) che riceve il gas da essiccare da detto scambiatore aria-aria ( 1 ) , detto evaporatore (2) essendo formato tramite una pluralità di strati affiancati, caratterizzato dal fatto che detti strati comprendono almeno un primo strato (21 ) configurato per il passaggio di un fluido frigorifero che circola all’interno di un circuito frigorifero ( 101 ) associabile al dispositivo essiccatore ( 10) , almeno un secondo strato (22) configurato per ricevere il gas da essiccare da detto scambiatore aria-aria ( 1 ) ed una pluralità di terzi strati (23) configurati per ricevere un materiale a cambiamento di fase, detti strati essendo disposti in una successione (20) che comprende, alternati, un primo strato (21 ) , un terzo strato (23) un secondo strato (22) ed un ulteriore terzo strato (23).
2. Dispositivo essiccatore (10) secondo la rivendicazione 1 , in cui ciascuno di detti primo strato (21 ) , secondo strato (22) e terzo strato (23) comprende una piastra (210, 220, 230) ed una pluralità di alette (21 1 , 221 , 231 ) , in appoggio su una superficie principale (21 0A, 220A, 230A) di detta piastra (210, 220, 230) , in cui dette alette formano una pluralità di canali rispettivamente per il passaggio del fluido frigorifero, per il passaggio dell’aria/gas da essiccare, e per contenere il materiale a cambiamento di fase.
3. Dispositivo essiccatore ( 10) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detti strati (21 , 22, 23) sono tra loro affiancati in detta successione (20) in corrispondenza di una rispettiva piastra (210, 220, 230) .
4. Dispositivo essiccatore ( 10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto scambiatore aria-aria ( 1 ) è disposto, in uso, in posizione superiore a detto evaporatore (2).
5. Dispositivo essiccatore ( 10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto ingresso ( 1 1 ) e detta uscita (12) del gas da essiccare sono disposte, in uso, in corrispondenza di una porzione superiore del dispositivo essiccatore ( 10) .
6. Dispositivo essiccatore ( 10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui è definito un percorso (P) di detto gas da essiccare all'interno del dispositivo ( 10) tale per cui il gas, una volta uscito dall’evaporatore (2) , viene reim messo all’interno di detto scambiatore ariaaria ( 1 ) per effettuare uno scambio termico, preferibilmente in controcorrente, con il gas immesso attraverso detto ingresso ( 1 1 ) .
7. Dispositivo essiccatore (10) secondo la rivendicazione 5 e 6, in cui detto percorso (P) è configurato in maniera tale che il gas da essiccare esca da detto evaporatore (2) in corrispondenza di una porzione inferiore del dispositivo essiccatore ( 10) collocata in posizione opposta rispetto a detto ingresso ( 1 1 ) e uscita (12) .
8. Dispositivo essiccatore ( 10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti terzi strati (23) sono configurati in maniera tale da ricevere un primo ed un secondo materiale a cambiamento di fase.
9. Dispositivo essiccatore ( 10) secondo la rivendicazione 8, in cui detti strati comprendono una prima porzione (23A) ed una seconda porzione (23B) , rispettivamente destinate a ricevere il primo ed il secondo materiale a cambiamento di fase.
10. Dispositivo essiccatore (10) secondo la rivendicazione 9, in cui detta prima porzione (23A) è disposta, in uso, in posizione verticalmente superiore rispetto a detta seconda porzione (23B).
11. Unità per il trattamento di gas (100), in particolare per il trattamento d’aria, comprendente un circuito frigorifero (101) ed un dispositivo essiccatore (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, detto circuito frigorifero (101) essendo associato al dispositivo essiccatore (10) in maniera tale da fornire fluido frigorifero in detto primo strato (21).