IT202100004646A1 - Apparecchiatura e metodo per il recupero termico da almeno due flussi termici - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo:
?APPARECCHIATURA E METODO PER IL RECUPERO TERMICO DA
ALMENO DUE FLUSSI TERMICI?
La presente invenzione ha per oggetto una apparecchiatura ed un metodo per il recupero termico da almeno due flussi termici.
In particolare, la presente invenzione si riferisce ad una apparecchiatura utilizzabile nei processi industriali ed in particolare per il recupero termico da almeno due o pi? flussi termici non contemporanei (batch).
Ancora, la presente invenzione trova vantaggiosa applicazione per il recupero termico da almeno due o pi? flussi termici di riscaldamento e raffreddamento aventi livelli termici compatibili dove quindi la massima temperatura del flusso che si raffredda ? maggiore della minima temperatura del flusso che si riscalda.
Come noto, gli impianti industriali di vario genere, come ad esempio in ambito alimentare o chimico, presentano rispettivi flussi di riscaldamento e di raffreddamento serviti da opportuni generatori di caldo e freddo indipendenti tra loro. Tale soluzione, che non prevede alcun circuito di recupero termico, risulta tuttavia molto dispendiosa dal punto di vista dei consumi energetici e pertanto, sono state adottate delle opportune soluzioni di recupero termico.
Una prima soluzione per il recupero termico prevede lo sfruttamento tramite scambiatori di calore della sola quota contemporanea dei flussi di riscaldamento e raffreddamento. In questo caso infatti, l?azione di recupero termico avviene solamente in una condizione di esercizio di entrambi i flussi e quindi senza la possibilit? di accumulare il valore termico.
Tale soluzione risulta pertanto limitata in quanto non utilizzabile per flussi termici non contemporanei, comunemente denominati ?batch?, in cui si rende necessaria una fase di accumulo.
Pertanto, in accordo con una ulteriore soluzione nota, vengono previsti impianti di recupero termico con accumuli, in cui la dissipazione del calore non avviene in parallelo al recupero termico.
Tale soluzione presenta tuttavia importanti inconvenienti e limiti applicativi. infatti, questa soluzione comporta problematiche nella gestione della dissipazione del calore in eccesso. Nel caso in cui il calore disponibile superi il fabbisogno delle utenze dell?impianto di recupero, per bilanciare il sistema viene dissipato il calore pi? rilevante (che ha alta temperatura) oppure viene eliminata la massa di fluido caldo ritenuta non necessaria. Ad esempio, sono previste torri evaporative o altri sistemi di dissipazione in serie al sistema di recupero (a monte) che dissipano il calore ad alta temperatura e recupera a un livello termico pi? basso. Questo porta ad un dimensionamento dei sistemi di accumulo e di pompaggio non ottimale. In questo caso, la dimensione dei due serbatoi, a parit? di energia accumulata, ? inversamente proporzionale alla differenza di temperatura tra i serbatoi stessi. Pi? i livelli termici sono distanti, pi? limitati sono i volumi di accumulo necessari (e i relativi costi di investimento). Inoltre, sempre a parit? di energia recuperata, le portate da entrambi i lati del sistema sono minori all?aumentare del salto termico tra i due serbatoi.
Ancora, specialmente nel settore alimentare, l?impianto di recupero necessita di periodico lavaggio, che richiede il completo svuotamento del circuito con i conseguenti inconvenienti in termini di costi di manutenzione derivati dal volume idrico necessario al lavaggio.
In una ulteriore soluzione nota, non viene previsto il sistema di dissipazione ed il calore disponibile viene completamente recuperato alla massima temperatura disponibile. In questo caso tuttavia, se il fabbisogno non esaurisce il calore recuperato viene eliminata una parte di massa di acqua calda (reintegrata nel serbatoio freddo), causando un importante spreco idrico.
Le soluzioni note inoltre non prevedono un sistema di regolazione termico di tipo predittivo che non consente di ottenere il massimo potenziale di recupero. In questo caso, gli impianti di recupero vengono infatti gestiti con settaggi fissi sulle temperature dei serbatoi e/o con settaggi fissi sulle temperature in uscita dei fluidi di processo dagli scambiatori di calore. Tale tipologia di regolazione non permette di correggere la gestione del sistema per reagire a variazioni delle tempistiche e/o dell?energia termica disponibile/necessaria nei successivi cicli di lavorazione con conseguente eccesso di calore da dissipare o una mancanza di calore da integrare tramite sistemi di generazione di backup, minimizzando la quota di recupero termico sul flusso da riscaldare.
In questo contesto, scopo della presente invenzione ? mettere a disposizione un?apparecchiatura ed un metodo per il recupero termico da almeno due flussi termici in grado di risolvere gli inconvenienti sopra menzionati della tecnica nota.
In particolare, scopo della presente invenzione ? predisporre un?apparecchiatura ed un metodo per il recupero termico da almeno due flussi termici non contemporanei.
E? un ulteriore scopo della presente invenzione ottimizzare la struttura di un'apparecchiatura per il recupero termico al fine di minimizzare i costi per la realizzazione dell?impianto di recupero termico ed i costi operativi di funzionamento/manutenzione.
Un altro scopo della presente invenzione ? quello di mettere a disposizione un'apparecchiatura ed un metodo in grado di regolare in maniera ottimale lo scambio termico al fine di massimizzare lo sfruttamento del potenziale di recupero.
Infine, uno scopo della presente invenzione ? anche quello di mettere a disposizione un'apparecchiatura ed un metodo per il recupero termico in grado di fornire una strategia previsionale per rendere maggiormente versatile l?intero impianto di recupero.
Il compito tecnico precisato e gli scopi specificati sono sostanzialmente raggiunti da un'apparecchiatura ed un metodo per il recupero termico da due flussi termici, preferibilmente non contemporanei, in accordo con le unite rivendicazioni.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di un di un'apparecchiatura ed un metodo per un recupero termico da due flussi termici.
Tale descrizione verr? esposta qui di seguito con riferimento agli uniti disegni, forniti a solo scopo indicativo e, pertanto, non limitativo, nei quali: - la figura 1 mostra una vista schematica di un'apparecchiatura per il recupero termico da almeno due flussi termici in accordo con la presente invenzione;
- la figura 2 mostra una vista schematica dell'apparecchiatura di figura 1 in accordo con una ulteriore soluzione realizzativa.
Con riferimento alle unite figure con il numero 1 viene globalmente indicata un'apparecchiatura per il recupero termico da almeno due flussi termici.
In particolare, con riferimento alla figura 1, l?apparecchiatura 1 comprende almeno un primo circuito 2 di un flusso da riscaldare ?L? denominato anche flusso di processo, ed almeno un secondo circuito 3 di un flusso da raffrescare S.
Va specificato che nella presente invenzione viene fatto esplicito riferimento a due flussi termici S, L rispettivamente da raffrescare e da riscaldare, non contemporanei.
Tuttavia, la presente invenzione pu? essere utilizzata anche per un numero superiore di flussi termici, sia in una condizione contemporanea che non contemporanea.
L?apparecchiatura 1 comprende inoltre un terzo circuito 4 di un flusso di scambio C, F interposto in parallelo tra il primo ed il secondo circuito 2, 3. Pi? in particolare, il terzo circuito 4 che presenta una configurazione chiusa, ? dotato di almeno un primo scambiatore di calore 5 operativamente impegnato al primo circuito 2 per cedere calore dal flusso di scambio C al flusso da riscaldare L.
Analogamente, il terzo circuito 4 comprende inoltre almeno un secondo scambiatore di calore 6 operativamente impegnato al secondo circuito 3 per cedere calore dal flusso da raffrescare S al flusso di scambio F.
Tra il primo ed il secondo scambiatore di calore 5, 6 viene inoltre previsto almeno un serbatoio di accumulo 5a, 6a del flusso di scambio C, F.
Preferibilmente, il terzo circuito 4 comprende un primo serbatoio di accumulo 5a disposto a valle del secondo scambiatore 6 ed a monte del primo scambiatore 5. In questo modo, il primo serbatoio di accumulo 5a provvede ad accumulare il flusso di scambio C riscaldato ed in uscita dal secondo scambiatore 6.
Vantaggiosamente, il terzo circuito 4 comprende inoltre un secondo serbatoio di accumulo 6a disposto a valle del primo scambiatore 5 ed a monte del secondo scambiatore 6. Tale secondo serbatoio 6a provvede ad accumulare il flusso di scambio F raffreddato ed in uscita dal primo scambiatore 5.
Il terzo circuito 4 ? inoltre provvisto di una coppia di pompe 5b, 6b, atte ad alimentare agli scambiatori 5, 6 il flusso di scambio C, F prelevato dai rispettivi serbatoi 5a, 6a.
In maggiore dettaglio, viene prevista una prima pompa 5b a valle del primo serbatoio 5a per prelevare dal primo serbatoio 5a stesso il fluido di scambio riscaldato C ed alimentarlo al primo scambiatore 5.
Una seconda pompa 6b ? disposta a valle del secondo serbatoio 6a per prelevare dal secondo serbatoio 6a stesso il fluido di scambio raffreddato F ed alimentarlo al secondo scambiatore 6.
L?apparecchiatura 1 comprende inoltre un ramo ausiliario 7 disposto in parallelo al secondo circuito 3, per bypassare il secondo scambiatore 6 e disperdere eventuale calore in eccesso del flusso da raffrescare S.
In particolare, il ramo ausiliario 7 comprende una valvola di partizione 8 disposta a monte del secondo scambiatore 6 per partizionare il fluido in ingresso al secondo scambiatore 6 e/o in ingresso al ramo ausiliario 7. Il ramo ausiliario 7 comprende inoltre un dissipatore di calore 9 disposto a valle della valvola di partizione 8.
In accordo con una ulteriore soluzione realizzativa illustrata in figura 2, il primo circuito 2 pu? comprendere un ramo ausiliario 10 per bypassare il primo scambiatore 5 ed immettere il primo fluido L scaldato a valle del primo scambiatore 5.
Tale ramo ausiliario 10 comprende una valvola di partizione 11 disposta a monte del primo scambiatore 5 per partizionare il fluido L in ingresso al primo scambiatore 5 e/o in ingresso al ramo ausiliario 10.
Il ramo ausiliario 10 comprende inoltre un organo di generazione del calore 12, quale ad esempio una pompa di calore, disposto a valle della valvola di partizione 11.
In uso, il primo scambiatore di calore 5 provvede a riscaldare il fluido di processo L a partire dal flusso di scambio C proveniente dal primo serbatoio 5a. Il fluido di scambio F raffreddato a valle del primo scambiatore 5 viene quindi introdotto nel secondo serbatoio 6a a minor temperatura.
In questo modo, il fluido di scambio freddo F viene prelevato dal secondo serbatoio 6a, per mezzo della seconda pompa 6b, e immesso nel secondo scambiatore 6 dove viene riscaldato e poi reintrodotto nel primo serbatoio 5a. Tale riscaldamento avviene grazie al raffrescamento del flusso S del secondo circuito 3. Il flusso del fluido S raffrescato pu? essere partizionato dalla valvola 8 prima dell?ingresso nel secondo scambiatore 6 e indirizzato al dissipatore del calore 9.
In questo modo, un dispositivo di controllo (di tipo noto e pertanto non descritto nel dettaglio) rileva le temperature dei flussi (flusso da raffreddare S, flusso da riscaldare L e flusso di scambio C, F) ed all?interno dei due serbatoi 5a, 6a. Viene inoltre controllato il livello di fluido nei serbatoi 5a, 6a, per regolare l?avviamento delle pompe 5b, 6b di circolazione del fluido di scambio C, F e la ripartizione del fluido S da raffrescare tra scambiatore 6 e dissipatore 9. Va specificato che tale controllo implica il rilevamento del livello di riempimento del fluido di scambio C, F all?interno dei rispettivi serbatoi.
In questo modo vengono rispettati i vincoli sulle temperature del flusso da raffrescare S e da riscaldare L e viene massimizzato il recupero di energia termica attraverso il terzo circuito 4.
La regolazione ottimale del sistema comprende la previsione dei carichi termici, sia i fabbisogni delle utenze del calore di recupero che la disponibilit? di calore dalle fonti. La parte predittiva della regolazione permette di ottimizzare la gestione del calore da recuperare, permette di non dissipare calore potenzialmente utile nelle successive fasi.
Tale regolazione predittiva risulta essere molto utile per prevedere le dispersioni termiche dovute a una pausa lunga del ciclo, ad esempio nel caso in cui il primo serbatoio 5a viene riempito durante l?ultimo ciclo lavorativo ed il fluido di scambio C riutilizzato nel primo ciclo del giorno successivo.
In questo caso, il calore in eccesso rispetto al fabbisogno del ciclo attuale non verrebbe completamente dissipato, ma parzialmente accumulato per compensare le dispersioni termiche fino al ciclo successivo, permettendo quindi di recuperare la massima quota termica anche nel primo ciclo postpausa (introducendo inoltre un risparmio sul sistema di dissipazione del calore).
Nella seconda soluzione realizzativa di figura 2, l?implementazione di un generatore di calore 12 (pompa di calore) in parallelo al primo scambiatore 5 comporta significativi vantaggi in termini energetici. Infatti, il generatore 12 ha un?efficienza molto alta nelle condizioni di esercizio a bassa temperatura.
La presente invenzione comporta pertanto importanti vantaggi.
In primo luogo, vengono minimizzati i costi di investimento rispetto alla tecnica nota in quanto i serbatoi ed i sistemi di pompaggio presentano dimensioni molto limitate.
Inoltre, le portate circolanti nel sistema di recupero sono inferiori, cos? come la richiesta al sistema di dissipazione del calore in eccesso.
Viene inoltre gestito in maniera ottimale lo scambio termico al fine di massimizzare lo sfruttamento del potenziale di recupero, anche grazie alla regolazione predittiva sopra descritta.
In ultimo, si registra un notevole risparmio idrico nelle fasi di lavaggio derivate dalle dimensioni ridotte dell?impianto che minimizza lo spreco di acqua per tali fasi di lavaggio.
Claims (16)
1. Apparecchiatura per il recupero termico da almeno due flussi termici, caratterizzata dal fatto di comprendere:
almeno un primo circuito (2) di un flusso da riscaldare (L);
almeno un secondo circuito (3) di un flusso da raffrescare (S); ed un terzo circuito (4) di un flusso di scambio (C, F) interposto in parallelo tra il primo ed il secondo circuito (2, 3);
detto terzo circuito (4) presentando almeno un primo scambiatore di calore (5) operativamente impegnato al primo circuito (2) per cedere calore dal flusso di scambio (C) al flusso da riscaldare (L), ed almeno un secondo scambiatore di calore (6) operativamente impegnato al secondo circuito (3) per cedere calore dal flusso da raffrescare (S) al flusso di scambio (F); detto terzo circuito (4) comprendendo inoltre almeno un serbatoio (5a, 6a) di accumulo del flusso di scambio (C, F) interposto tra detti scambiatori di calore (5, 6).
2. Apparecchiatura secondo la rivendicazione precedente, in cui detto flusso da riscaldare (L) del primo circuito (2) non ? contemporaneo al flusso da raffrescare (S) del secondo circuito (3).
3. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto terzo circuito (4) comprende:
- un primo serbatoio di accumulo (5a) disposto a valle del secondo scambiatore (6) ed a monte del primo scambiatore (4) per accumulare il flusso di scambio (C) riscaldato nel secondo scambiatore (6); ed
- un secondo serbatoio di accumulo (6a) disposto a valle del primo scambiatore (5) ed a monte del secondo scambiatore (6) per accumulare il flusso di scambio (F) raffreddato nel primo scambiatore (5).
4. Apparecchiatura secondo la rivendicazione precedente, in cui detto terzo circuito (4) comprende inoltre:
- una prima pompa (5b) a valle del primo serbatoio (5a) per prelevare il fluido di scambio riscaldato (C) dal primo serbatoio (5a) ed alimentarlo a detto primo scambiatore (5); ed
- una seconda pompa (6b) a valle del secondo serbatoio (6a) per prelevare il fluido di scambio raffreddato (F) dal secondo serbatoio (6a) ed alimentarlo a detto secondo scambiatore (6).
5. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto secondo circuito (3) comprende un ramo ausiliario (7) per bypassare il secondo scambiatore (6) e disperdere eventuale calore in eccesso del flusso da raffrescare (S).
6. Apparecchiatura secondo la rivendicazione precedente, in cui il ramo ausiliario (7) comprende una valvola di partizione (8) disposta a monte del secondo scambiatore (6) per determinare il fluido (S) in ingresso al secondo scambiatore (6) e/o in ingresso al ramo ausiliario (7).
7. Apparecchiatura secondo la rivendicazione precedente, in cui il ramo ausiliario (7) comprende inoltre un dissipatore di calore (9) disposto a valle di detta valvola di partizione (8).
8. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto primo circuito (2) comprende un ramo ausiliario (10) per bypassare il primo scambiatore (5) ed immettere il fluido (L) a valle del primo scambiatore (5).
9. Apparecchiatura secondo la rivendicazione precedente, in cui detto ramo ausiliario (10) comprende: una valvola di partizione (11) disposta a monte del primo scambiatore (5) per determinare il fluido (L) in ingresso al primo scambiatore (5) e/o in ingresso al ramo ausiliario (10); ed un organo di generazione del calore (12) disposto a valle di detta valvola di partizione
10. Metodo per il recupero termico da almeno due flussi termici, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi:
- prelevare un flusso di scambio (C) da un rispettivo primo serbatoio (5a) in cui il flusso di scambio (C) ? stato riscaldato;
- prelevare detto flusso di scambio (F) da un rispettivo secondo serbatoio (6a) in cui il flusso di scambio (F) ? stato raffreddato; e
- alimentare il flusso di scambio (C) dal primo serbatoio (5a) ad un primo scambiatore (5) per riscaldare un primo flusso (L); e/o
- alimentare il flusso di scambio (F) dal secondo serbatoio (6a) ad un secondo scambiatore (6) per raffreddare un secondo flusso (S).
11. Metodo secondo la rivendicazione precedente, in cui il primo serbatoio (5a) viene alimentato dal secondo scambiatore (6) in cui il flusso di scambio (C) viene riscaldato; ed in cui il secondo serbatoio (6a) viene alimentato dal primo scambiatore (5) in cui il flusso di scambio (F) viene raffreddato.
12. Metodo secondo la rivendicazione 10 o 11, in cui detto secondo flusso da raffreddare (S) viene partizionato a monte del secondo scambiatore (6) per essere indirizzato verso un ramo ausiliario (7) di dissipazione del calore; detto ramo ausiliario (7) bypassando il secondo scambiatore (6).
13. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 10 a 12, in cui detto primo flusso da riscaldare (L) viene partizionato a monte del primo scambiatore (5) per essere indirizzato verso un ramo ausiliario (10) di riscaldamento; detto ramo ausiliario (10) bypassando il primo scambiatore (5).
14. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 11 a 13 in cui comprende inoltre le fasi di:
rilevare la temperatura almeno del flusso da riscaldare (L) e/o del flusso da raffreddare (S);
rilevare la temperatura del primo e secondo serbatoio (5a, 6a);
rilevare il livello del flusso di scambio (C, F) nel primo e secondo serbatoio (5a, 6a);
controllare l?attivazione di una prima ed una seconda pompa (5b, 6b) di alimentazione del fluido di scambio (C, F) negli scambiatori (5, 6) in funzione di temperature e livelli rilevati.
15. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui comprende inoltre la fase di ripartire il secondo flusso (S) tra secondo scambiatore (6) ed un dissipatore (9).
16. Metodo secondo la rivendicazione 13, in cui comprende inoltre la fase di ripartire il primo flusso (L) tra primo scambiatore (5) ed un generatore di calore (12).
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