IT202100019994A1 - Impianto e processo di conversione di energia termica in energia meccanica e/o elettrica - Google Patents

Impianto e processo di conversione di energia termica in energia meccanica e/o elettrica Download PDF

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IT
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working fluid
pump
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closed circuit
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Gino Zampieri
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Star Engine Srl
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Description

DESCRIZIONE
annessa a domanda di brevetto per BREVETTO D?INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo:
?IMPIANTO E PROCESSO DI CONVERSIONE DI ENERGIA TERMICA IN ENERGIA MECCANICA E/O ELETTRICA?
CAMPO DEL TROVATO
La presente invenzione ha per oggetto un impianto ed un relativo processo in cui un fluido di lavoro esegue un ciclo termodinamico, in particolare un ciclo termodinamico chiuso, ad esempio un ciclo Rankine, per la generazione di energia elettrica e/o meccanica mediante il recupero e la conversione di calore proveniente da una sorgente calda. In particolare, l?impianto ed il processo oggetto dell?invenzione possono realizzare un ciclo auto-sostenibile che quindi non necessita per funzionare di alimentazione di energia elettrica al sistema di pompaggio del fluido di lavoro (o che necessita di minima alimentazione).
Inoltre, il processo e l?impianto qui descritti e rivendicati sono capaci di estrarre efficientemente energia anche da sorgenti ?calde? caratterizzate da temperature non eccessivamente alte, ad esempio inferiori ai 130 ?C, in particolare sorgenti calde in cui sia presente un liquido (tipicamente acqua) a temperature inferiori a 100 ?C, ad esempio comprese tra 35 ed 80 ?C.
La presente invenzione pu? trovare impiego in impianti di biogas/biomasse per il recupero del calore di scarto dal processo di cogenerazione, in impianti geotermici per lo sfruttamento di sorgenti di calore medio/piccole, in impianti industriali per il recupero di cascami termici (conversione degli scarti di calore dei processi industriali), in ambito domestico per la produzione di energia elettrica e lo sfruttamento del calore per uso sanitario.
Un ulteriore utilizzo dell?espansore e del relativo impianto pu? concernere sistemi, sia domestici che industriali, in cui la fonte di calore ? fornita da impianti di captazione dell?energia solare.
Possono inoltre essere previsti impieghi dell?impianto nel settore automotive ad esempio per il recupero di calore dal motore.
STATO DELL?ARTE
Sono noti sistemi che impiegano espansori volumetrici a pistoni, vite, scroll o a reazione, quali turbine a gas, per il recupero dell'energia termica e la successiva produzione di energia elettrica.
Una forma di realizzazione diffusa di tali sistemi prevede l?impiego di una o pi? turbine come camera di espansione. Tale soluzione tuttavia presenta alcuni vincoli ed inconvenienti, quali:
- elevato costo della turbina e degli organi di controllo connessi;
- necessit? di frequente manutenzione con conseguenti oneri;
- necessit? di avere un fluido di lavoro sempre ad altissime temperature ed sempre allo stato gassoso, pena il danneggiamento irreversibile delle turbine stesse; - massimo rendimento che si ottiene solo ad una ben precisa portata del fluido in espansione e con una definita velocit? di rotazione; in particolare questo ? forse il maggiore limite dei sistemi a turbina in quanto se la velocit? di rotazione subisce anche una lieve variazione rispetto al valore ottimale, il rendimento della turbina decade in modo drastico.
? da rilevare inoltre che innumerevoli sorgenti di calore attualmente potenzialmente disponibili (si pensi ai reflui industriali, o alle acque di raffreddamento di impianti) presentano una temperatura non eccessivamente alta, spesso significativamente inferiore a 100 ?C, e portate variabili nel tempo. La conversione in energia elettrica del calore fornito da tali sorgenti, tramite l?impego di turbine, risulta non conveniente in relazione all'energia prodotta: le turbine risultano di fatto poco adatte per lo sfruttamento di sorgenti termiche a medio/bassa temperatura (ad esempio tra 35 e 90 ?C) le quali inoltre presentano spesso un?erogazione calorica ampiamente variabile, condizione che rende ancora pi? sconveniente l?impego di turbine per la conversione di energia termica.
Per superare gli inconvenienti sopra descritti ? noto utilizzare degli espansori volumetrici, alternativi o rotativi, in grado di estrarre energia da sorgenti a temperature non eccessivamente alte ed anche capaci di operare con portate di fluido relativamente modeste senza eccessiva riduzione di rendimento.
Esempi di impianti con espansori volumetrici alternativi (ad esempio ad uno o pi? pistoni) utilizzati per la conversione di energia termica in energia meccanica e/o elettrica ? capaci di utilizzare fonti di calore a temperature che possono essere inferiori ai 100?C, ad esempio dell?ordine dei 35-130? C - vengono descritti nelle domande di brevetto WO2010102874 e WO2014141072. Nonostante questi impianti alternativi noti risultino migliorativi rispetto ad impianti con tradizionali turbine particolarmente nelle menzionate condizioni di sorgenti di calore a medio/bassa temperatura, il Richiedete ha individuato ulteriori aspetti migliorabili. In particolare gli impianti con un fluido di lavoro circolante in un circuito chiuso necessitano di un sistema di pompaggio per la circolazione dello stesso fluido di lavoro. Le pompe attualmente utilizzate sono tipicamente alimentate da energia elettrica e quindi gravano sull?efficienza complessiva dell?impianto in quanto in realt? una frazione dell?energia meccanica e/o elettrica generabile dall?impianto viene di fatto consumata dalla pompa.
Inoltre, le pompe attualmente utilizzate quali ad esempio pompe centrifughe multi stadio, pompe a palette, pompe ad ingranaggi o a vite o a spirale orbitale (tipo scroll) hanno evidenziato scarsi rendimenti, problematiche di trafilamento agli alti regimi pressorici tipici dei cicli termodinamici qui discussi, oltre ad essere tutte soggette ad importanti problematiche di cavitazione.
SCOPO DEL TROVATO
Scopo della presente invenzione ? pertanto quello di risolvere sostanzialmente almeno uno degli inconvenienti e/o limitazioni delle precedenti soluzioni.
Un primo obiettivo della presente invenzione ? quello di mettere a disposizione un impianto ed un processo ad elevata efficienza, in particolare che consentano di ottenere elevati rendimenti attraverso la conversione di energia termica in energia meccanica e/o elettrica anche operando con sorgenti calde a medio/basse temperature (ad esempio dell?ordine di 35 ? 130 ?C).
? inoltre scopo della presente invenzione quello di mettere a disposizione un impianto ed un relativo processo, ad esempio a ciclo Rankine, adattabile alle diverse condizioni di lavoro in modo tale da poter sfruttare efficacemente le sorgenti di calore a disposizione ed erogare il massimo della potenza con ottimi rendimenti. ? poi scopo della presente invenzione quello di mettere a disposizione un impianto ed un relativo processo, ad esempio a ciclo Rankine, di semplice e compatta realizzazione atti a consentire la facile messa in opera e conseguentemente che presentino costi di produzione, manutenzione ed assemblaggio estremamente ridotti.
E? inoltre obiettivo dell?invenzione quello di mettere a disposizione un impianto ed un relativo processo, ad esempio a ciclo Rankine, in cui il sistema di pompaggio del fluido di lavoro sia migliorato sotto il profilo dell?efficienza.
Inoltre ? un aggiuntivo scopo, offrire un impianto ed un processo in grado di realizzare un ciclo auto-sostenibile che quindi non necessiti per funzionare di alimentazione di energia elettrica al sistema di pompaggio del fluido di lavoro (o che necessita di minima alimentazione).
Un addizionale scopo dell?invenzione quello di mettere a disposizione un impianto ed un relativo processo, ad esempio a ciclo Rankine, in cui il sistema di pompaggio del fluido di lavoro non evidenzi problematiche di affidabilit? e ben si presti ad un uso con regimi pressorici del ciclo qui descritto e con un fluido di lavoro che si presenti sia allo stato gassoso che allo stato liquido.
E? anche uno scopo ausiliario dell?invenzione mettere a disposizione un impianto ed un processo che utilizzino un sistema di pompaggio che minimizzi le problematiche di cavitazione.
Infine, ? obiettivo della presente invenzione quello di mettere a disposizione un impianto ed un procedimento di conversione di energia termica in energia elettrica e/o meccanica facilmente attuabile e tramite il quale sia possibile ottenere ottimi rendimenti di conversione dell?energia.
Questi scopi ed altri ancora, che appariranno maggiormente dalla seguente descrizione, sono sostanzialmente raggiunti da un espansore volumetrico, un impianto a ciclo chiuso ed un procedimento di conversione di energia termina in energia elettrica in accordo con quanto espresso in una o pi? delle unite rivendicazioni e/o dei seguenti aspetti, presi da soli o in una qualsiasi combinazione tra loro o in combinazione con una qualsiasi delle unite rivendicazioni e/o in combinazione con uno qualsiasi degli ulteriori aspetti o caratteristiche di seguito descritti.
SOMMARIO
Aspetti del trovato sono qui di seguito descritti.
In un 1? aspetto ? previsto un impianto (1) comprendente:
- un circuito (2) per la circolazione di almeno un fluido di lavoro,
- almeno una pompa (13) operante nel circuito (2) e predisposta per far circolare il fluido di lavoro nel circuito chiuso stesso,
- almeno un espansore (4) configurato per ricevere in ingresso fluido di lavoro allo stato gassoso,
in cui la pompa comprende almeno un primo comparto (20) posizionabile in comunicazione di fluido con una prima porzione (2a) del circuito (2), estendentesi a valle della pompa (13), per spingere fluido di lavoro allo stato liquido nel circuito verso detta prima porzione, ed
almeno un secondo comparto (21) posizionabile in comunicazione di fluido con una seconda porzione (2b) del circuito chiuso, estendentesi a valle di detta prima porzione (2a) ed a monte dell? espansore (4), per ricevere fluido di lavoro allo stato gassoso presente in detta seconda porzione del circuito.
In un 2? aspetto, opzionalmente in accordo con il 1? aspetto, ? previsto un impianto (1) comprendente:
- un circuito chiuso (2) per la circolazione di almeno un fluido di lavoro, - almeno una pompa (13) operante nel circuito chiuso (2) e predisposta per far circolare il fluido di lavoro nel circuito chiuso stesso,
- almeno un evaporatore (3) attivo sul circuito chiuso (2) e configurato per ricevere calore da una sorgente calda (H) e riscaldare il fluido di lavoro fino a determinarne il passaggio dallo stato liquido a quello gassoso, - almeno un espansore (4) operante nel circuito chiuso (2) a valle dell?evaporatore (3) e configurato per ricevere in ingresso fluido di lavoro allo stato gassoso,
- almeno un condensatore (16) attivo sul circuito chiuso (2) a valle dell?espansore (4) ed a monte della pompa (13), detto condensatore (16) essendo configurato per condensare il fluido di lavoro determinandone il passaggio dallo stato gassoso allo stato liquido,
in cui la pompa (13) comprende:
- almeno un primo comparto (20) posizionabile in comunicazione di fluido con una prima porzione (2a) del circuito chiuso (2), estendentesi a valle della pompa (13) ed a monte dell?evaporatore (3), per inviare fluido di lavoro allo stato liquido verso lo stesso evaporatore (3), ed
- almeno un secondo comparto (21) posizionabile in comunicazione di fluido con una seconda porzione (2b) del circuito chiuso, estendentesi a valle di detta prima porzione (2a) ed a monte dell?espansore (4), per ricevere fluido di lavoro allo stato gassoso generato dall?evaporatore (3).
In un 3? aspetto in accordo con uno qualsiasi degli aspetti precedenti, l?espansore (4) ? un espansore volumetrico ad uno o pi? pistoni (alternativi o rotanti), a vite, scroll o di altro tipo ancora.
In un 4? aspetto in accordo con uno qualsiasi degli aspetti 1? o 2? l?espansore (4) ? un espansore a reazione, comprendente una o pi? turbine a gas.
In un 5? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti precedenti l?impianto ? configurato per la conversione di energia termica in energia elettrica e/o meccanica.
In un 6? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti precedenti la pompa ? configurata per determinare un incremento di volume del secondo comparto (21) a seguito dell?ingresso di detto fluido di lavoro allo stato gassoso proveniente dalla seconda porzione (2b) nello stesso secondo comparto (21), e conseguentemente promuovere una riduzione di volume del primo comparto (20) causando il trasferimento di fluido di lavoro allo stato liquido verso detto evaporatore (3).
In un 7? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti precedenti il primo comparto (20) ? selettivamente configurabile in una rispettiva prima condizione operativa, in cui tale primo comparto (20) ? in comunicazione di fluido con la prima porzione (2a) del circuito chiuso (2), ed in una rispettiva seconda condizione operativa, in cui il primo comparto (20) ? in comunicazione di fluido con una terza porzione (2c) del circuito chiuso (2), estendentesi a valle del condensatore (16) ed a monte della pompa (13), per ricevere fluido di lavoro allo stato liquido proveniente dal condensatore (16).
In un 8? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti precedenti il secondo comparto (21) ? selettivamente configurabile in una rispettiva prima condizione operativa, in cui tale secondo comparto (21) ? in comunicazione di fluido con la seconda porzione (2b) del circuito chiuso (2), ed in una rispettiva seconda condizione operativa, in cui il secondo comparto (21) ? in comunicazione di fluido con la terza porzione (2c) del circuito chiuso (2) a monte della pompa (13) per scaricare fluido di lavoro allo stato gassoso in tale terza porzione (2c).
In un 9? aspetto secondo uno qualsiasi dei due aspetti precedenti l?impianto ? configurato per tenere il primo comparto (20) nella rispettiva prima condizione operativa quando il secondo comparto (21) si trova nella rispettiva prima condizione operativa e per tenere il primo comparto (20) nella rispettiva seconda condizione operativa quando il secondo comparto (21) si trova nella rispettiva seconda condizione operativa.
In un 10? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti precedenti l?impianto comprende almeno un serbatoio di raccolta (17) operante in corrispondenza della o di una terza porzione (2c) del circuito chiuso (2) ed interposto tra il/un condensatore (16) e la pompa (13), detto serbatoio di raccolta (17) essendo configurato ricevere fluido di lavoro proveniente dal condensatore (16) e per contenere fluido di lavoro allo stato liquido in equilibrio con fluido di lavoro allo stato gassoso.
In un 11? aspetto secondo l?aspetto precedente il primo comparto (20), nella rispettiva seconda condizione operativa, ? in comunicazione di fluido con una zona del serbatoio di raccolta (17), in particolare una zona inferiore (17a) del serbatoio di raccolta, in cui ? presente fluido di lavoro in fase liquida per ricevere fluido di lavoro allo stato liquido dal serbatoio di raccolta.
In un 12? aspetto secondo uno qualsiasi dei due aspetti precedenti, il secondo comparto (21), nella rispettiva seconda condizione operativa, ? in comunicazione di fluido con una zona del serbatoio di raccolta (17), in particolare una zona superiore (17b) del serbatoio di raccolta, in cui ? presente fluido di lavoro in fase gassosa, per scaricare fluido di lavoro allo stato gassoso nel serbatoio di raccolta.
In un 13? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti precedenti la pompa (13) comprende un involucro ed almeno un pistone operante all?interno dell?involucro.
In un 14? aspetto secondo l?aspetto precedente il pistone presenta una prima testa delimitante, in cooperazione con detto involucro, il primo comparto (20), ed una seconda testa delimitante, in cooperazione con detto involucro, il secondo comparto (21).
In un 15? aspetto in accordo con l?aspetto precedente la prima e la seconda testa sono connesse tra loro.
In un 16? aspetto secondo l?aspetto precedente la prima e la seconda testa sono rigidamente connesse.
In un 17? aspetto secondo l?aspetto 15? o 16? la prima e la seconda testa sono connesse tra loro in modo che:
- quando detto primo comparto (20) e detto secondo comparto (21) si trovano ciascuno nella rispettiva prima condizione operativa, fluido di lavoro allo stato gassoso generato dall?evaporatore (3) entrante in detto secondo comparto (21) contribuisca a movimentare la seconda testa di detto pistone determinando altres? la movimentazione della prima testa e l?espulsione di fluido di lavoro allo stato liquido dal primo comparto (20) e l?invio dello stesso verso detto evaporatore (3).
In un 18? aspetto secondo l?aspetto 15? o 16? o 17? la prima e la seconda testa sono connesse tra loro in modo che:
- quando detto primo comparto (20) e detto secondo comparto (21) si trovano ciascuno nella rispettiva seconda condizione operativa, fluido di lavoro allo stato liquido entrante in detto primo comparto (20) contribuisca a movimentare la prima testa di detto pistone determinando altres? la movimentazione della seconda testa e l?espulsione di fluido di lavoro allo stato gassoso dal secondo comparto (21) e l?invio dello stesso verso una/detta terza porzione (2c) del circuito chiuso (2), estendentesi a valle del condensatore (16) ed a monte della pompa (13).
In un 19? aspetto secondo uno qualsiasi dei precedenti 4 aspetti la pompa comprende un organo motore, opzionalmente comprendente un motore elettrico o un motore idraulico o un attuatore elettrico o un attuatore idraulico o un attuatore pneumatico, attivo su detto pistone per determinarne una movimentazione a va e vieni lungo una prefissata corsa all?interno di detto involucro.
In un 20? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti dal 15? al 18? l?involucro definisce almeno una prima ed una seconda camera di lavoro idraulicamente separate tra loro e ciascuna definente una rispettiva volumetria occupabile dal fluido di lavoro,
ed in cui la volumetria della seconda camera ? superiore alla volumetria della prima camera.
In un 21? aspetto secondo l?aspetto precedente la volumetria della seconda camera ? almeno 1,5 volte superiore alla volumetria della prima camera, ad esempio 1,5 volte, 1,75 volte, 2 volte, 2,25 volte, 2,5 volte, 2,75 volte, 3 volte superiore alla volumetria della prima camera.
In un 22? aspetto secondo l?aspetto 20? o 21? la prima e la seconda camera presentano pari estensione assiale, ossia pari estensione in direzione del moto del pistone e differente sezione.
In un 23? aspetto secondo l?aspetto 20? o 21? o 22? la prima testa del pistone ? scorrevolmente ospitata nella prima camera e la seconda testa del pistone ? scorrevolmente ospitata nella seconda camera.
In un 24? aspetto secondo l?aspetto precedente, la prima e la seconda testa sono connesse rigidamente e la prima testa presenta una sezione trasversale attiva inferiore a quella della seconda testa.
In un 25? aspetto secondo l?aspetto precedente, la prima e la seconda testa sono connesse rigidamente da uno stelo estendentesi trasversalmente alle stesse prima e seconda testa ed attraversante a tenuta di fluido una parete di separazione tra la prima e la seconda camera.
In un 26? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti dal 20? al 25? la prima testa del pistone separa la prima camera in detto primo comparto (20) ed in un terzo comparto (22) della pompa, detto primo e terzo comparto (22) estendendosi su lati contrapposti della prima testa del pistone e presentando volume variabile al variare della posizione della prima testa nella prima camera.
In un 27? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti dal 20? al 26? la seconda testa del pistone separa la seconda camera in detto il secondo comparto (21) ed in un quarto comparto (23) della pompa, detto secondo e quarto comparto (23) estendendosi su lati contrapposti della seconda testa del pistone e presentando volume variabile al variare della posizione della seconda testa nella seconda camera.
In un 28? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti 26? o 27? il primo comparto (20) ? adiacente al terzo comparto (22) che ? adiacente al quarto comparto (23) che a sua volta ? adiacente al secondo comparto (21).
In un 29? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti 26? o 27? o 28? il terzo comparto (22) ? in comunicazione di fluido con la terza porzione (2c) del circuito chiuso (2) a monte della pompa (13), in particolare con una zona superiore del serbatoio di raccolta (17), in cui ? presente fluido di lavoro in fase gassosa.
In un 30? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti 26? o 27? o 28? o 29? il quarto comparto (23) ? selettivamente configurabile in una rispettiva prima condizione operativa, in cui tale quarto comparto (23) ? in comunicazione di fluido con la seconda porzione (2b) del circuito chiuso (2), ed in una rispettiva seconda condizione operativa, in cui il quarto comparto (23) ? in comunicazione di fluido con la terza porzione (2c) del circuito chiuso (2) a monte della pompa (13), in particolare con una zona superiore del serbatoio di raccolta (17), in cui ? presente fluido di lavoro in fase gassosa per scaricare fluido di lavoro allo stato gassoso in tale terza porzione (2c).
In un 31? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti 26? o 27? o 28? o 29? o 30? l?impianto (1) ? configurato per tenere il quarto comparto (23) nella rispettiva seconda condizione operativa quando il secondo comparto (21) si trova nella rispettiva prima condizione operativa e tenere il quarto comparto (23) nella rispettiva prima condizione operativa quando il secondo comparto (21) si trova nella rispettiva seconda condizione operativa.
In un 32? secondo uno qualsiasi degli aspetti precedenti comprendente almeno un gruppo valvolare (50) cooperante con la pompa (13).
In un 33? aspetto secondo l?aspetto precedente il gruppo valvolare (50) ? configurato per:
porre il primo comparto (20) della pompa (13) selettivamente nella rispettiva prima o nella rispettiva seconda condizione operativa;
porre il secondo comparto (21) della pompa (13) selettivamente nella rispettiva prima o nella rispettiva seconda condizione operativa.
In un 34? aspetto secondo l?aspetto precedente il gruppo valvolare (50) ? configurato per porre il primo comparto (20) della pompa (13) nella rispettiva prima condizione operativa quando il secondo comparto (21) si trova nella rispettiva prima condizione operativa e porre il primo comparto (20) nella rispettiva seconda condizione operativa quando il secondo comparto (21) si trova nella rispettiva seconda condizione operativa.
In un 35? aspetto secondo il 32? o 33? o 34? aspetto il gruppo valvolare (50) comprende:
una prima valvola di non ritorno (51), opzionalmente operante sulla prima porzione (2a) del circuito chiuso (2), per consentire alimentazione di fluido di lavoro allo stato liquido in uscita dal primo comparto (20) verso detto evaporatore (3).
In un 36? aspetto secondo l?aspetto precedente il gruppo valvolare (50) comprende: una seconda valvola di non ritorno (52), opzionalmente operante sulla terza porzione (2c) del circuito chiuso (2), per consentire l?ingresso nel primo comparto (20) di fluido di lavoro allo stato liquido proveniente dalla stessa terza porzione (2c).
In un 37? aspetto secondo l?aspetto 35? o 36? il gruppo valvolare (50) comprende: una terza valvola di non ritorno (56), opzionalmente operante su una linea di servizio (32) che connette il secondo comparto (21) con la seconda porzione (2b) del circuito chiuso (2), per consentire l?ingresso di fluido di lavoro allo stato gassoso generato dall?evaporatore (3) nel secondo comparto (21).
In un 38? aspetto secondo l?aspetto 35? o 36? o 37? il gruppo valvolare (50) comprende:
una quarta valvola di non ritorno (57), opzionalmente operante su una ulteriore linea di servizio (33) che connette il secondo comparto (21) con la terza porzione (2c) del circuito chiuso (2), per consentire lo scarico di fluido di lavoro allo stato gassoso dal secondo comparto (21) nella stessa terza porzione (2c) del circuito chiuso.
In un 39? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti dal 32? al 34? il gruppo valvolare (50) ? altres? configurato per:
porre il quarto comparto (23) selettivamente nella rispettiva prima condizione operativa o seconda condizione operativa,
e per porre il quarto comparto (23) nella rispettiva seconda condizione operativa quando il secondo comparto (21) si trova nella rispettiva prima condizione operativa, viceversa ponendo il quarto comparto (23) nella rispettiva prima condizione operativa quando il secondo comparto (21) si trova nella rispettiva seconda condizione operativa.
In un 39? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti dal 32? al 34? o 39? il gruppo valvolare (50) comprende:
una prima valvola di non ritorno (51), opzionalmente operante sulla prima porzione (2a) del circuito chiuso (2), per consentire alimentazione di fluido di lavoro allo stato liquido in uscita dal primo comparto (20) verso detto evaporatore (3).
In un 40? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti dal 32? al 34? o 39? o 40? il gruppo valvolare (50) comprende:
una seconda valvola di non ritorno (52), opzionalmente operante sulla terza porzione (2c) del circuito chiuso (2), per consentire l?ingresso nel primo comparto (20) di fluido di lavoro allo stato liquido proveniente dalla stessa terza porzione (2c).
In un 41? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti dal 32? al 34? o 39? o 40? o 41? il gruppo valvolare (50) comprende:
un selettore (53) ad almeno 4 vie e due posizioni il quale, in una prima posizione, pone il quarto comparto (23) nella rispettiva seconda condizione operativa ponendo contemporaneamente il secondo comparto (21) nella rispettiva prima condizione operativa, ed il quale selettore (53), in una seconda posizione, pone il quarto comparto (23) nella rispettiva prima condizione operativa contemporaneamente ponendo il secondo comparto (21) nella rispettiva seconda condizione operativa.
In un 42? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti precedenti l?impianto comprende un sensore di livello (3c) associato al serbatoio (17).
In un 43? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti precedenti l?impianto comprende un sensore di livello (17c) associato all?evaporatore (3).
In un 44? aspetto secondo uno qualsiasi dei due aspetti precedenti comprendente un?unit? di controllo (100) comunicativamente connessa con il sensore di livello (3c) associato all?evaporatore, tale sensore di livello inviando almeno un corrispondente segnale relativo al livello di liquido nell?evaporatore (o del livello di liquido in un comparto di raccolta liquido associato all?evaporatore) all? unit? di controllo (100) che ? configurata per ricevere tale segnale e, in funzione del segnale stesso, comandare o meno l?attivazione della pompa (13), ad esempio operando sul posizionamento di detto selettore (53) o attivando detto organo motore (70) sulla base di almeno detto segnale.
In un 45? aspetto secondo uno qualsiasi dei tre aspetti precedenti comprendente un?unit? di controllo (100) comunicativamente connessa con il sensore di livello (17c) associato al serbatoio, tale sensore di livello inviando almeno un corrispondente segnale relativo al livello di liquido nel serbatoio all? unit? di controllo (100) che ? configurata per ricevere tale segnale e, in funzione del segnale stesso, comandare o meno l?attivazione della pompa (13), ad esempio operando sul posizionamento di detto selettore (53) o attivando detto organo motore (70) sulla base di almeno detto segnale.
In un 46? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti precedenti l?impianto comprende almeno un sensore di fine corsa (60) associato a detta pompa per rilevare il raggiungimento da parte di detto pistone (15) di rispettive posizioni di fine corsa.
In un 47? aspetto secondo l?aspetto precedente il sensore di fine corsa ? configurato per comandare direttamente l?inversione del moto di detto pistone, ad esempio inviando un segnale di comando a detto selettore o a detto organo motore.
In un 48? aspetto secondo l?aspetto 46? o 47? il sensore di fine corsa ? configurato per emettere un corrispondente segnale di comando per una/detta unit? di controllo (100) la quale ? configurata per comandare l?inversione del moto di detto pistone (15), ad esempio operando sul posizionamento di detto selettore (53) o comandando l?attivazione di detto organo motore (70).
In un 49? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti precedenti una/detta unit? di controllo (100) ? configurata per comandare l?inversione del moto di detto pistone (15), ad esempio operando sul posizionamento di detto selettore (53) o comandando l?attivazione di detto organo motore (70), a prefissati intervalli regolari di tempo.
In un 50? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti precedenti detto evaporatore (3) comprende almeno un primo scambiatore di calore avente un lato configurato per ricevere calore da una sorgente calda (H) ed un lato attraversato detta seconda porzione (2b) del circuito chiuso.
In un 51? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti precedenti il condensatore (16) comprende almeno un secondo scambiatore di calore avente un lato attraversato da un tratto della/di una terza porzione (2c) del circuito chiuso (2) interposta tra l?espansore (4) e la pompa (13), ed un lato configurato per interagire con una sorgente fredda (C) e consentire la condensazione del fluido di lavoro attraversante detto tratto determinandone il passaggio dallo stato gassoso allo stato liquido.
In un 52? aspetto secondo i due aspetti precedenti l?impianto comprende almeno un terzo scambiatore di calore (18) avente un lato attraversato da un tratto del circuito chiuso interposto tra l?espansore (4) ed il condensatore (16) ed un lato attraversato da un tratto della prima porzione (2a) del circuito chiuso, per determinare un preriscaldamento del fluido di lavoro allo stato liquido in uscita dalla pompa (13) e diretto verso l?evaporatore (3).
In un 53? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti precedenti, l?impianto ? configurato per realizzare un ciclo chiuso Rankine.
In un 54? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti precedenti, l?impianto ? configurato per movimentare pompa senza uso di energia elettrica.
In un 55? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti precedenti, l?impianto ? autosostenuto sotto il profilo energetico, nel senso che a parte la sorgente calda e la sorgente fretta non utilizza alimentazione di energia da altre fonti per operare.
In un 56? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti precedenti, l?impianto comprende almeno un generatore di energia elettrica (12) connesso ad un albero principale (11) dell?espansore volumetrico (4), detto generatore (12) essendo configurato per generare energia elettrica a seguito della rotazione dell?albero principale (11).
In un 57? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti precedenti detto espansore volumetrico (4) comprende:
- almeno un pistone (5) definente una camera di espansione (6) a volume variabile,
- un albero principale (11) cinematicamente collegato al pistone (5) e configurato per muoversi di moto rotatorio attorno ad un asse principale, - almeno una valvola (8) configurata per aprire e chiudere selettivamente un ingresso ed un?uscita (9, 10) alla camera di espansione (6).
In un 58? aspetto secondo l?aspetto precedente detta valvola (8) ? configurata e controllata per consentire almeno:
o una condizione di immissione del fluido di lavoro nella camera di espansione (6),
o una condizione di espansione del fluido di lavoro nella camera di espansione (6), ed
o una condizione di scarico del fluido di lavoro da detta camera di espansione (6).
Un 59? aspetto concerne un procedimento per la conversione di energia termica in energia elettrica utilizzante un impianto secondo uno qualsiasi degli aspetti precedenti.
Un 60? aspetto concerne un procedimento per la conversione di energia termica in energia elettrica utilizzante un impianto secondo uno qualsiasi degli aspetti precedenti dal 1? al 58?.
In un 61? aspetto, in particolare in accordo con il 59? o il 60? aspetto, ? previsto un procedimento comprendente:
- predisporre un impianto (1) secondo uno qualsiasi degli aspetti dal 1? al 58?;
- utilizzare la pompa (13) per pompare fluido di lavoro allo stato liquido nel circuito (2) detta pompa sfruttando per il pompaggio fluido di lavoro allo stato di gas proveniente dal ciclo stesso.
In un 62? aspetto secondo il 61? aspetto il fluido di lavoro allo stato di gas utilizzato dalla pompa per il pompaggio di fluido di lavoro allo stato liquido proviene da una porzione del circuito 2 a monte dell?espansore utilizzato per la produzione di energia meccanica e/o elettrica.
In un 63? aspetto secondo uno qualsiasi dei precedenti 4 aspetti il procedimento comprende:
- portare a evaporazione nell?evaporatore (3) il fluido di lavoro;
- espandere il fluido di lavoro in uscita dall?evaporatore (3) all?interno dell?espansore volumetrico (4) e conseguentemente produrre energia meccanica o elettrica da parte del/di un generatore (12) collegato meccanicamente con l?espansore volumetrico,
- condensare nel condensatore (16) il fluido di lavoro in uscita dall?espansore volumetrico (4),
- utilizzare la pompa (13) per pompare verso l?evaporatore (3) fluido di lavoro liquido proveniente dal condensatore (16).
In un 64? aspetto secondo l?aspetto precedente detta pompa utilizza fluido di lavoro allo stato gassoso prodotto dall?evaporatore (3) e spillato dall?evaporatore (3) stesso o dalla seconda porzione (2b) del circuito chiuso (2) compresa tra evaporatore (3) ed espansore volumetrico (4) per pompare verso l?evaporatore (3) detto fluido di lavoro liquido proveniente dal condensatore (16).
In un 65? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti dal 58? al 64? il procedimento comprende:
- ricevere nel secondo comparto (21) della pompa gas in pressione dalla seconda porzione (2b) del circuito chiuso (2), e muovere il pistone (15) in modo che la seconda testa spinga il fluido allo stato gassoso presente nel quarto comparto (23) in scarico verso la terza porzione (2c) del circuito in particolare verso il serbatoio (17) mentre la prima testa spinge il fluido di lavoro allo stato liquido presente nel primo comparto (20) verso la prima porzione (2a), in particolare verso l?evaporatore (3), - raggiunto il finecorsa, invertire il moto del pistone (15), ad esempio attraverso un comando che sposta il selettore (53), e muovere la prima testa in modo da incrementare il volume del primo comparto (20) e richiamare fluido di lavoro allo stato liquido nello stesso primo comparto, con il quarto comparto (23) collegato con la seconda porzione del circuito (2b) che riceve fluido allo stato gassoso ed in alta pressione prodotto dall?evaporatore e con il secondo comparto (21) che scarica fluido di lavoro allo stato gassoso verso la terza porzione 82c9 del circuito, in particolare verso il serbatoio (17).
In un 66? aspetto secondo uno qualsiasi degli aspetti dal 58? al 64? il procedimento comprende:
- ricevere nel secondo comparto (21) della pompa gas in pressione dalla seconda porzione (2b) del circuito chiuso 2,
- operare l?organo motore (70) e muovere il pistone (15) in modo che la prima testa spinga il fluido di lavoro allo stato liquido presente nel primo comparto (20) verso l?evaporatore (3), nel contempo caricando fluido di lavoro gassoso ed in alta pressione generato dall?evaporatore (3) nel secondo comparto (21);
- raggiunto il finecorsa, invertire il moto del pistone (15), ad esempio attraverso un comando che inverte il moto dell?organo motore (70), e muovere la prima testa in modo da incrementare il volume del primo comparto (20) e richiama fluido di lavoro allo stato liquido proveniente dalla terza porzione (2c) del circuito (2) nello stesso primo comparto, nel contempo scaricando fluido allo stato gassoso dal secondo comparto (21) verso la terza porzione (2c) del circuito.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Alcune forme realizzative ed alcuni aspetti del trovato saranno qui di seguito descritti con riferimento agli uniti disegni, forniti a solo scopo indicativo e pertanto non limitativo in cui:
? La figura 1 ? uno schema di un impianto a ciclo chiuso in una prima forma di realizzazione in accordo con la presente invenzione ed in una prima condizione operativa;
? La figura 2 ? uno schema dell?impianto di figura 1 in una seconda condizione operativa;
? La figura 3 ? uno schema di un impianto a ciclo chiuso in una seconda forma di realizzazione in accordo con la presente invenzione ed in una prima condizione operativa; e
? La figura 4 ? uno schema dell?impianto di figura 3 in una seconda condizione operativa.
DEFINIZIONI E CONVENZIONI
Si noti che nella presente descrizione dettagliata corrispondenti parti illustrate nelle varie figure sono indicate con gli stessi riferimenti numerici.
Le figure potrebbero illustrare l?oggetto dell?invenzione tramite rappresentazioni non in scala; pertanto, parti e componenti illustrati nelle figure relativi all?oggetto dell?invenzione potrebbero riguardare esclusivamente rappresentazioni schematiche.
Con il termine fluido di lavoro ? ad esempio inteso un fluido di tipo organico (fluido ORC). In particolare, il fluido di lavoro utilizzabile con l?impianto qui descritto comprende una quantit? di fluido organico compresa tra il 90% ed il 99%, in particolare tra il 95% ed il 99%, ancora pi? in particolare intorno al 98%. Il fluido di tipo organico ? preferibilmente miscelato con almeno un olio configurato per consentire la lubrificazione di elementi mobili interni all?espansore volumetrico. Ad esempio, i fluidi organici impiegati possono comprendere almeno uno selezionato nel gruppo dei seguenti fluidi: R134A, R245FA, R1234FY, R1234FZ, R245 sas 3G, R 744, R32, R420, R520 (sigle ASHRAE).
Non si esclude la possibilit? di usare altri fluidi di lavoro capaci di essere utilizzati nell?impianto e processo qui descritti.
Nella descrizione che segue e nelle rivendicazioni i termini a monte ed a valle fanno riferimento ad un senso di circolazione del fluido di lavoro all?interno del circuito chiuso 2 parte dell?impianto 1.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA
Parti comuni agli impianti esemplificativi di figure 1,2 e 3,4
La prima parte della seguente descrizione illustra aspetti comuni all?impianto di figure 1 e 2 ed all?impianto di figure 3 e 4.
Con riferimento alle unite figure da 1 a 4, con 1 ? stato complessivamente indicato un impianto a ciclo chiuso, ad esempio a ciclo Rankine, per la conversione di energia termica in energia elettrica e/o meccanica. L?impianto 1 trova applicazione ad esempio in impianti di biogas/biomasse per il recupero del calore di scarto del processo di cogenerazione, in impianti geotermici per lo sfruttamento di sorgenti di calore medio/piccole, in impianti industriali per il recupero di cascami termici (conversione degli scarti di calore dei processi industriali), in ambito domestico per la produzione di energia elettrica e lo sfruttamento del calore per uso sanitario. Un ulteriore utilizzo dell?impianto 1 pu? concernere sistemi, sia domestici che industriali, in cui la fonte di calore ? fornita da sistemi di captazione dell?energia solare. Possono inoltre essere previsti impieghi dell?impianto nel settore automotive, ad esempio per il recupero di calore dal motore, o dai fumi o dissipato dal radiatore. L?impianto 1 comprende un circuito chiuso 2 all?interno del quale circola il fluido di lavoro. In particolare il fluido di lavoro ? un fluido del tipo sopra definito.
Come visibile ad esempio dalle schematizzazioni delle figure 1-4, l?impianto 1 comprende almeno una pompa 13 inserita nel circuito 2 e predisposta per imporre al fluido di lavoro una movimentazione secondo un prefissato verso di circolazione. Il fluido di lavoro in entrata alla pompa 13 si trova allo stato liquido ad una prefissata pressione, in particolare sostanzialmente corrispondente ad una pressione di minima del circuito. La pompa 13 ? configurata per imporre al fluido di lavoro un prefissato salto di pressione e portarlo sostanzialmente ad una pressione di massima del circuito 2. Il salto di pressione imposto dalla pompa 13 dipende dal dimensionamento di quest?ultima ed ? preferibilmente superiore a 5 bar, in particolare compreso tra 5 bar e 25 bar, ancora pi? in particolare tra 5 bar e 20 bar.
Grazie al salto di pressione imposto dalla pompa 13, il fluido di lavoro circola nel circuito 2 ed in particolare in uscita da quest?ultima raggiunge un primo scambiatore di calore o evaporatore 3 attivo sul circuito 2. Di fatto, il fluido di lavoro allo stato liquido spinto dalla pompa 13, viene immesso all?interno dell?evaporatore 3 il quale ? configurato per riscaldare il fluido fino a determinarne il passaggio dallo stato liquido allo stato gassoso.
Pi? in dettaglio, l?evaporatore 3 ? predisposto a ricevere in passaggio il fluido di lavoro ed inoltre ricevere calore da una sorgente calda H atta a consentire il riscaldamento di detto fluido consentendone il cambiamento di stato: in uscita dall?evaporatore 3 il fluido di lavoro ? in una condizione di vapore, in particolare vapore saturo. Sotto il profilo strutturale, l?evaporatore 3 pu? ad esempio comprendere uno o pi? contenitori di raccolta (atto/i a contenere la fase liquida) ed uno o pi? scambiatori di calore atto/i a sfruttare, come sorgente calda H, un ulteriore fluido di lavoro ad esempio in arrivo da un differente impianto industriale (ad esempio liquidi di scarto industriale) per trasformare il fluido di lavoro da liquido in gas. Alternativamente, l?evaporatore 3 pu? comprendere una caldaia atta a consentire il passaggio di stato del fluido di lavoro per mezzo di una sorgente calda H ottenuta per combustione. Il fluido di riscaldamento proveniente dalla sorgente calda pu? presentare una temperatura inferiore a 150 ?C, in particolare compresa tra 25 ?C e 130 ?C. Nell?esempio illustrato, l?evaporatore 3 comprende un primo scambiatore, con il fluido di lavoro che attraversa un primo lato 3a del primo scambiatore e viene progressivamente convertito in gas da un fluido caldo proveniente dalla sorgente H collegata ad un secondo lato 3b del primo scambiatore 3. Come si nota dalle figure i fluidi si muovono l?uno in controcorrente all?altro negli esempi non limitativi illustrati.
All?evaporatore 3, ed in particolare ad una zona di raccolta liquido dell?evaporatore, pu? essere associato un sensore di livello 3c che ? in grado di segnalare il livello di liquido presente nell?evaporatore (ad esempio in un contenitore ad esso associato): ad esempio il sensore di livello 3c pu? comprendere uno o pi? elementi sensori in grado di attivarsi al raggiungimento di un rispettivo livello, oppure un trasduttore in grado di emettere un segnale elettrico o elettromagnetico proporzionale al livello del liquido, oppure un semplice dispositivo meccanico a galleggiante in grado di percepire il livello di liquido e di attivare un comando elettrico o meccanico o di altra natura ancora. Il o i segnali provenienti dal sensore di livello 3c possono essere inviati ad un?unit? di controllo 100 (ad esempio di comprendente una o pi? CPU di tipo digitale con relative memorie o comprendente una o pi? unit? di tipo analogico o comprendente una combinazione di una o pi? unit? digitali con relative memorie ed una o pi? circuiterie di tipo analogico) programmata con almeno un rispettivo programma o configurata per comandare selettivamente l?attivazione o lo spegnimento della pompa 13 di circolazione del fluido a seconda del livello di liquido nell?evaporatore. Alternativamente l?unit? di controllo 100 potr? essere configurata per comandare un gruppo valvolare 50 associato alla pompa 13 per collegare o isolare idraulicamente la pompa stessa dal circuito 2 a seconda del livello captato dal sensore 3a oppure per comandare un organo motore 70 della pompa 13. Qualora il sensore di livello 3a sia un dispositivo meccanico ad esempio a galleggiante il dispositivo pu? essere cinematicamente connesso ad un interruttore della pompa per comandare accensione o spegnimento della pompa 53 o del citato organo motore 70, o ad almeno una valvola associata alla pompa per isolare o meno la pompa stessa dal circuito 2, a seconda del livello captato dal sensore 17c.
Proseguendo sempre lungo il verso di circolazione del fluido di lavoro nel circuito 2, ? possibile osservare come il fluido di lavoro allo stato gassoso in uscita dall?evaporatore 3 entri in un espansore volumetrico 4 configurato per trasformare l?energia termica del fluido di lavoro in energia meccanica.
L?espansore volumetrico 4 ? di tipo di per s? noto e ad esempio comprende almeno un pistone 5 atto a definire almeno una camera di espansione 6 a volume variabile. L?espansore volumetrico 4 pu? inoltre comprendere un organo di trasmissione ad esempio un manovellismo 7 connesso da un lato al pistone e dall?altro ad un albero principale 11 configurato per muoversi di moto rotatorio attorno ad un rispettivo asse. L?espansore volumetrico 4 comprende preferibilmente almeno una valvola 8 configurata per consentire selettivamente l?immissione del fluido di lavoro nella camera 6 attraverso almeno un ingresso 9, l?espansione del fluido nella camera 6 e lo scarico del fluido di lavoro dalla camera di espansione 6 attraverso almeno un?uscita 10 e generare quindi la movimentazione del pistone 5: in tal modo ? possibile far ruotare l?albero principale 11 attorno al proprio asse. Va notato che pu? essere previsto un organo di trasmissione (non illustrato) connesso ? da un lato ? alla valvola 8 e ? dall?altro lato ? all?albero principale 11 per sincronizzare la condizione di immissione, la condizione di espansione e la condizione di scarico del fluido di lavoro con la rotazione dell?albero principale 11 (alternativamente la sincronizzazione pu? essere gestita con sistemi elettrici o elettronici),
Come visibile ad esempio dalle figure 1 e 2, l?impianto 1 comprende inoltre almeno un generatore di energia elettrica 12 connesso all?albero principale 11 ed atto a trasformare la rotazione di quest?ultimo in energia elettrica. In particolare, il generatore 12 pu? comprendere almeno un rotore collegato all?albero principale 11 il quale ? mobile per rotazione rispetto ad uno statore. La movimentazione relativa tra rotore e statore consente lo sviluppo di energia elettrica.
L?espansore volumetrico 4 pu? ovviamente comprendere pi? di un pistone e ad esempio pu? essere del tipo descritto nelle domande di brevetto WO2010102874 e WO2014141072.
Proseguendo ancora lungo il verso di percorrenza del fluido di lavoro nel circuito 2 ? possibile osservare come l?impianto 1 comprenda inoltre almeno un secondo scambiatore di calore o condensatore 16 attivo sul circuito 2 stesso. Il condensatore 16, come visibile ad esempio in figura 1, ? interposto tra l?espansore 4 e la pompa 13; il secondo scambiatore di calore o condensatore 16 ? predisposto per ricevere il fluido di lavoro in uscita dall?espansore 4 e consentirne il passaggio dallo stato gassoso a quello liquido. Pi? in dettaglio, il condensatore 16 ? configurato per ricevere su un primo lato 16a il fluido di lavoro e per comunicare inoltre con una sorgente fredda C la quale ? atta a sottrarre calore al fluido attraversante il condensatore 16. La sorgente fredda pu? ad esempio essere l?ambiente e pu? comprendere una o pi? ventole atte a forzare aria fredda (ovvero a temperatura ambiente) verso il secondo lato 16b dello scambiatore o condensatore 16, preferibilmente in controcorrente con il flusso del fluido di lavoro che percorre il primo lato 16a. Il fluido di lavoro, allo stato liquido, in uscita dal condensatore 16 ritorna in ingresso alla pompa 13.
Nel prosieguo della trattazione e nelle rivendicazioni si indicher? come:
- prima porzione 2a del circuito chiuso 2 quella parte di circuito chiuso, estendentesi a valle della pompa 13 ed a monte dell?evaporatore 3, preposta ad inviare fluido di lavoro allo stato liquido in uscita dalla pompa 13 verso lo stesso evaporatore 3,
- seconda porzione 2b del circuito chiuso 2 quella parte di circuito chiuso, estendentesi a monte dell?espansore volumetrico 4 ed a valle della prima porzione 2a, la quale ? preposta a ricevere fluido di lavoro allo stato gassoso generato dall?evaporatore 3 inviandola all?espansore 4,
- terza porzione 2c del circuito chiuso 2 la parte di circuito chiuso estendentesi a valle del condensatore 16 ed a monte della pompa 13, preposta ad inviare fluido di lavoro allo stato liquido proveniente dal condensatore 16 verso la pompa e (come si vedr? qui di seguito) a raccogliere fluido di lavoro nel serbatoio 17 di cui si parler? a breve,
- quarta porzione 2d del circuito chiuso 2 la parte di circuito chiuso estendentesi a valle dell?espansore 4 ed a monte del condensatore 16, preposta ad inviare fluido di lavoro espanso, ma ancora allo stato gassoso, al condensatore 16.
In accordo con un ulteriore aspetto, il fluido di lavoro allo stato liquido ? diretto verso un serbatoio di raccolta 17 posto sul circuito 2 tra il condensatore 16 e la pompa 13. Il serbatoio di raccolta 17 ha la funzione di raccogliere e contenere il fluido di lavoro allo stato liquido in uscita dal condensatore 16 in corrispondenza di una zona inferiore 17a del serbatoio stesso in modo tale che alla pompa 13 venga garantito pescaggio di liquido senza bolle, come mostrato nelle unite figure. In particolare, il serbatoio 17 previene il pompaggio di fluido di lavoro carico di bolle d?aria le quali potrebbero determinare un malfunzionamento dell?intero impianto 1. La fase gassosa ? infatti contenuta nel serbatoio 17, il quale non ? collegato con l?ambiente esterno, ma parte del circuito chiuso, in corrispondenza di una zona superiore 17b del serbatoio stesso. Al serbatoio 17, ed in particolare alla zona inferiore 17a di raccolta liquido del serbatoio, pu? essere associato un sensore di livello 17c che ? in grado di segnalare il livello di liquido presente nel serbatoio: ad esempio il sensore di livello 17c pu? comprendere uno o pi? elementi sensori in grado di attivarsi al raggiungimento di un rispettivo livello, oppure un trasduttore in grado di emettere un segnale elettrico o elettromagnetico proporzionale al livello del liquido, oppure un semplice dispositivo meccanico a galleggiante in grado di percepire il livello di liquido e di attivare un comando elettrico o meccanico o di altra natura ancora. Il o i segnali provenienti dal sensore di livello 17c possono essere inviati all?unit? di controllo 100 programmata o configurata per comandare selettivamente l?attivazione o lo spegnimento della pompa 13 di circolazione del fluido o dell?organo motore 70 a seconda del livello di liquido nel serbatoio 17. Alternativamente, l?unit? di controllo 100 potr? essere configurata per comandare un gruppo valvolare 50 associato alla pompa 13 per collegare o isolare idraulicamente la pompa stessa dal circuito 2 a seconda del livello captato dal sensore 17c; qualora il sensore di livello 17c sia un dispositivo meccanico ad esempio a galleggiante il dispositivo pu? essere cinematicamente connesso ad un interruttore della pompa per comandare accensione o spegnimento della pompa 13 o del citato organo motore 70, o ad almeno una valvola associata alla pompa per isolare o meno la pompa stessa dal circuito 2, a seconda del livello captato dal sensore 17c.
In accordo con un ulteriore aspetto, l?impianto 1 comprende almeno un terzo scambiatore di calore 18 avente un primo lato 18a attraversato da un tratto della quarta porzione 2d del circuito chiuso interposto tra l?espansore 4 ed il condensatore 16 ed un secondo lato 18b attraversato da un tratto della prima porzione 2a del circuito chiuso, per determinare un preriscaldamento del fluido di lavoro allo stato liquido in uscita dalla pompa 13 e diretto verso l?evaporatore 3 da parte del gas ancora caldo proveniente dall?espansore 4.
Esempio di cui alle figure 1 e 2
Passando ora a descrivere in maggior dettaglio la pompa 13 di cui alle figure 1 e 2, va innanzi tutto rilevato che qui viene descritto un impianto con una sola pompa 13, ma nulla toglie che possano essere previste una pluralit? di pompe 13 ad esempio operanti in parallelo o in serie o in altre configurazioni ancora opportunamente inserite e sincronizzate.
La pompa 13 di cui alle figure 1 e 2 comprende un involucro 14 che definisce al proprio interno almeno una prima ed una seconda camera di lavoro 14a e 14b idraulicamente separate tra loro e ciascuna definente una rispettiva volumetria occupabile dal fluido di lavoro. Come visibile dalle figure 1 e 2, la volumetria della seconda camera 14b ? superiore alla volumetria della prima camera 14a: ad esempio la volumetria della seconda camera pu? essere almeno 1,5 o almeno 2,0 volte la volumetria della prima camera.
All?interno dell?involucro 14 opera un pistone 15 presentante una prima testa 15a ed una seconda testa 15b. La prima testa 15a del pistone ? scorrevolmente ospitata nella prima camera 14a e la seconda testa 15b del pistone ? scorrevolmente ospitata nella seconda camera 14b; la prima e la seconda testa sono poi connesse rigidamente tra loro. Nel caso specifico la prima e la seconda testa sono connesse da uno stelo 15d estendentesi trasversalmente alle stesse prima e seconda testa 15a, 15b ed attraversante a tenuta di fluido una parete di separazione 40 tra la prima e la seconda camera. Come si pu? notare dalle figure 1 e 2 il pistone 15 si muove a vai e vieni all?interno dell?involucro 14 lungo un prefissato asse X, con la prima e la seconda testa 15a, 15b che quindi si muovono anch?esse a vai e vieni nelle rispettive prima e seconda camera 14a, 14b. La prima e la seconda camera presentano conformazione prismatica ed in particolare preferibilmente cilindrica con quindi la prima e la seconda testa che presentano anche esse sezione trasversale (perpendicolare all?asse X) di conformazione poligonale o, preferibilmente, circolare, dovendo scorrere a tenuta all?interno delle rispettive camere e presentare quindi profilo controsagomato alla superficie interna delle rispettive camere. La lunghezza della corsa della prima testa nella prima camera ? preferibilmente pari a quella della seconda testa nella seconda camera. Analogamente, nell?esempio illustrato, l?estensione lungo l?asse X della prima camera ? pari all?estensione lungo lo stesso asse X della seconda camera, mentre la seconda camera presenta ingombro radiale sensibilmente superiore a quello della prima camera: ad esempio l?area di una sezione perpendicolare all?asse X della seconda camera pu? essere almeno 1,5 o almeno 2,0 volte l?area di una corrispondente sezione perpendicolare all?asse X della prima camera. Conseguentemente, la prima testa presenta una sezione trasversale attiva (ossia un?area della superficie attiva di spinta del fluido misurata ortogonalmente all?asse X) inferiore a quella della seconda testa: ad esempio l?area della sezione trasversale attiva della seconda testa pu? essere almeno 1,5 o almeno 2,0 volte l?area della sezione trasversale attiva della seconda testa.
La prima testa 15a del pistone delimita, in cooperazione con l?involucro 14, un primo comparto 20, ed un terzo comparto 22, opposto al primo comparto rispetto alla stessa prima testa 15a (il primo e terzo comparto 20, 22 sono parte della prima camera 14a); a sua volta, la seconda testa 15b delimita, sempre in cooperazione con detto involucro, un secondo comparto 21 ed un quarto comparto 23 contrapposto al secondo comparto rispetto alla seconda testa 15b (il secondo e quarto comparto 21, 23 sono invece parte della seconda camera 14b). La parete di separazione 40 separa di fatto il terzo e quarto comparto 22, e 23 che sono nell?esempio illustrato adiacenti tra loro, ma appunto parte di camere distinte idraulicamente ovvero la prima camera 14a e rispettivamente la seconda camera 14b. Riassumendo quindi: la prima testa 15a del pistone separa la prima camera 14a in detto primo e terzo comparto 20, 22 della pompa che si trovano di fatto su lati contrapposti della prima testa del pistone e presentano volume variabile al variare della posizione della prima testa nella prima camera, mentre la seconda testa 15b del pistone separa la seconda camera nel secondo e quarto comparto 21, 23 della pompa che si trovano su lati contrapposti della seconda testa del pistone e presentando anch?essi volume variabile al variare della posizione della seconda testa nella seconda camera.
Nell?esempio illustrato la pompa 13 ha il pistone 15 che opzionalmente comprende anche una terza testa 15c connessa rigidamente allo stelo 15d e posta da parte opposta alla prima testa (in pratica nell?esempio illustrato la pompa 13 e quindi il pistone 15 e l?involucro 14 hanno struttura simmetrica con la seconda testa posizionata nel mezzo del pistone tra la prima e la terza testa). L?involucro 14 definisce anche una terza camera 14c in cui opera la terza testa 15c la quale divide la terza camera in un quinto ed un sesto comparto 24 e 25, dove il sesto comparto 25 ? ad esempio adiacente al secondo comparto 21 e separato da quest?ultimo da un?ulteriore parete di separazione 41 attraverso la quale scorre a tenuta di fluido lo stelo 15d e dove il quinto comparto 24 ? adiacente al sesto comparto 25 e da parte opposta al primo comparto 20.
Il primo comparto 20 pu? essere posto in comunicazione di fluido con una prima porzione 2a del circuito chiuso 2 estendentesi a valle della pompa 13 ed a monte dell?evaporatore 3, per inviare fluido di lavoro allo stato liquido verso lo stesso evaporatore 3: ad esempio il primo comparto 20 pu? presentare una luce di uscita a cui fa capo una linea 30 della prima porzione 2a del circuito 2. Il primo comparto 20 ? anche collegabile con una terza porzione 2c del circuito chiuso 2: ad esempio il primo comparto 20 pu? presentare una luce di ingresso collegata ad una linea 31 della terza porzione 2c del circuito 2, a monte della pompa 13, per ricevere fluido di lavoro allo stato liquido proveniente dal condensatore 16 e pi? precisamente dalla zona inferiore 17a del serbatoio 17; in maggior dettaglio, il primo comparto ? selettivamente configurabile in una rispettiva prima condizione operativa (fig.1), in cui tale primo comparto ? in comunicazione di fluido con la linea 30 e quindi con la prima porzione 2a del circuito chiuso 2, ed in una rispettiva seconda condizione operativa (fig. 2), in cui il primo comparto ? in comunicazione di fluido con la linea 31 della terza porzione 2c del circuito chiuso 2 a monte della pompa 13 per ricevere fluido di lavoro allo stato liquido proveniente dal serbatoio 17.
Il secondo comparto 21 pu? essere posto in comunicazione di fluido ad esempio grazie ad un linea 32 con la seconda porzione 2b del circuito chiuso 2 per ricevere fluido di lavoro allo stato gassoso generato dall?evaporatore 3 o grazie ad una linea 33 con la zona superiore 17b del serbatoio al fine di scaricare fluido di lavoro nel serbatoio stesso. In maggior dettaglio, il secondo comparto 21 ? selettivamente configurabile in una rispettiva prima condizione operativa (fig.1), in cui tale secondo comparto ? in comunicazione di fluido con la seconda porzione 2b del circuito chiuso 2 (attraverso la linea 32), ed in una rispettiva seconda condizione operativa (fig.2), in cui il secondo comparto ? in comunicazione di fluido con la terza porzione 2c del circuito chiuso 2 (attraverso la linea 33) per scaricare fluido di lavoro allo stato gassoso in tale terza porzione ed in particolare nel serbatoio 17.
In accordo con un aspetto dell?invenzione, la pompa 13 ? configurata e controllata dall?impianto in modo che il primo comparto 20 si trovi nella rispettiva prima condizione operativa quando anche il secondo comparto 21 si trova nella rispettiva prima condizione operativa ed in modo che il primo comparto 20 si trovi nella rispettiva seconda condizione operativa quando anche il secondo comparto 21 si trova nella rispettiva seconda condizione operativa; in questo modo, il gas in pressione proveniente dalla seconda porzione 2b e prodotto dall?evaporatore 3, che quindi ? ad alta pressione (ad esempio da 5 a 10 bar, tipicamente intorno ai 20-25 bar superiore rispetto alla pressione del liquido/gas nel serbatoio 17) tende, grazie alla maggiore dimensione del secondo pistone 15b, a fare espandere il secondo comparto della pompa e conseguentemente a causare una riduzione del volume del primo comparto che spinge fluido di lavoro liquido verso l?evaporatore. In pratica, grazie al pistone 15 sopra descritto ed alle teste 15a e 15b, la pompa 13 ? configurata in modo che le variazioni di volume interno del primo e del secondo comparto siano interconnesse: in altre parole, a seguito dell?ingresso di detto fluido di lavoro allo stato gassoso proveniente dalla seconda porzione 2b del circuito chiuso nel secondo comparto 21 si ha una movimentazione della seconda testa (verso destra in fig. 1) con incremento di volume del secondo comparto stesso: questo promuove una corrispondente movimentazione della prima testa (sempre verso destra in fig.1 e di pari corsa) con conseguente riduzione di volume del primo comparto 20 causando il trasferimento di fluido di lavoro allo stato liquido dal primo comparto verso detto evaporatore 3.
Grazie a questa soluzione ? possibile usufruire di una parte (in realt? relativamente piccola) dell?energia termica del gas caldo e ad alta pressione presente nella seconda porzione 2b del circuito per pompare fluido di lavoro allo stato liquido, incrementando sensibilmente il rendimento del ciclo, il tutto senza sfruttare energia elettrica e quindi con un rendimento del ciclo migliorato.
Come accennato, in accordo con un aspetto, la prima e la seconda testa sono connesse tra loro: in particolare, nell?esempio non limitativo di figure 1 e 2, la prima e la seconda testa 15a e 15b sono rigidamente connesse tra loro dallo stelo 15d, in modo da muoversi a vai e vieni in maniera sincrona. Questo comporta che, quando il primo comparto ed il secondo comparto si trovano ciascuno nella rispettiva prima condizione operativa, fluido di lavoro allo stato gassoso generato dall?evaporatore 3 entra nel secondo comparto 21, contribuisce a movimentare la seconda testa 15b del pistone in direzione del primo comparto, determinando altres? la movimentazione della prima testa 15a e l?espulsione di fluido di lavoro allo stato liquido dal primo comparto 20 e l?invio dello stesso verso detto evaporatore 3.
Nell?esempio illustrato, come gi? sopra accennato, la pompa 13 ha il pistone 15 che opzionalmente comprende anche una terza testa 15c connessa rigidamente allo stelo 15d e posta da parte opposta alla prima testa conferendo alla pompa 13 e quindi a pistone 15 ed involucro 14 struttura simmetrica con la seconda testa posizionata nel mezzo del pistone tra la prima e la terza testa: la terza testa opera nella terza camera 14c e la divide nel quinto ed un sesto comparto 24 e 25.
In una soluzione opzionale attualmente preferita il terzo comparto 22 ? in comunicazione di fluido con la terza porzione 2c del circuito chiuso 2 a monte della pompa 13: in particolare una linea di servizio 34 pone il terzo comparto 22 in comunicazione di fluido con la zona superiore 17b del serbatoio di raccolta per ricevere o scaricare fluido di lavoro in fase gassosa, a seconda che il pistone 15 stia rispettivamente muovendosi in una prima direzione (ad esempio verso destra con riferimento a fig. 1) determinando lo scarico di fluido di lavoro liquido dal primo comparto 20 o stia muovendosi in una seconda direzione contrapposta alla prima (verso sinistra con riferimento a figura 2) richiamando fluido di lavoro allo stato liquido nel primo comparto 20. Il fatto di avere gas proveniente dal serbatoio 17 immesso nel terzo comparto e non gas ad alta temperatura (ad esempio proveniente dalla porzione 2b) evita il surriscaldo del liquido nel primo comparto e quindi la formazione di bolle durante il pompaggio. Analogamente il sesto comparto 26 (nel caso sia presente) ? in comunicazione di fluido con la terza porzione 2c del circuito chiuso 2 a monte della pompa 13: in particolare la linea di servizio 34 (o altra linea) pone il sesto comparto 22 in comunicazione di fluido con la zona superiore 17b del serbatoio di raccolta per scaricare o ricevere fluido di lavoro in fase gassosa, a seconda che il pistone 15 stia rispettivamente muovendosi in una prima direzione (ad esempio verso destra con riferimento a fig.1) determinando lo scarico di fluido di lavoro liquido dal sesto comparto 25 o stia muovendosi in una seconda direzione contrapposta alla prima (verso sinistra con riferimento a figura 2) richiamando fluido di lavoro allo stato liquido nel sesto comparto 25. Ancora una volta si nota come il fatto di avere gas proveniente dal serbatoio 17 immesso nel terzo comparto (ed eventualmente nel sesto comparto) e non gas ad alta temperatura evita il surriscaldo del liquido nel primo comparto (e nel quinto se presente) e quindi la formazione di bolle durante il pompaggio.
Alternativamente, in una soluzione attualmente meno preferita, ? possibile prevedere che il terzo comparto 22 (ed eventualmente il sesto comparto 25 se presente) sia selettivamente collegabile alla seconda porzione 2b del circuito quando il primo comparto 20 (o il quinto comparto 24 se presente) ? nella prima condizione operativa e spinge liquido verso l?evaporatore 3 ed alla terza porzione del circuito 2c quando il primo comparto (o il quinto comparto se presente) ? nella seconda condizione operativa e richiama liquido dalla terza porzione 2c del circuito 2.
Infine, analogamente al secondo comparto 21, il quarto comparto 23 ? selettivamente configurabile in una rispettiva prima condizione operativa, in cui tale quarto comparto ? in comunicazione di fluido con la seconda porzione 2b del circuito chiuso 2, ad esempio attraverso la linea 32 (come si vedr? grazie all?intervento di un gruppo valvolare di seguito descritto - condizione mostrata in figura 2), ed in una rispettiva seconda condizione operativa, in cui il quarto comparto ? in comunicazione di fluido con la terza porzione 2c del circuito chiuso 2 a monte della pompa 13 (grazie all?intervento di un gruppo valvolare di seguito descritto -condizione mostrata in figura 1), ad esempio attraverso la linea 33 che porta alla zona superiore17b del serbatoio di raccolta 17 per scaricare fluido di lavoro allo stato gassoso nel serbatoio stesso.
Come mostrato nelle figure 1 e 2 la pompa 13 viene pilotata in modo che il primo comparto sia nella prima condizione operativa quando il secondo comparto ? nella propria prima condizione operativa ed il quarto comparto ? nella rispettiva seconda condizione operativa. Inoltre la pompa 13 viene pilotata in modo che il primo comparto sia nella seconda condizione operativa quando il secondo comparto ? nella propria seconda condizione operativa ed il quarto comparto ? nella rispettiva prima condizione operativa. Il terzo comparto ? opzionalmente sempre mantenuto nella stessa condizione operativa di connessione con il serbatoio 17, come gi? discusso.
Qualora (come in figure 1 e 2) siano presenti nella pompa 13 la terza testa 15c e la terza camera 14c, queste sono di fatto conformate e dimensionate rispettivamente come la prima testa 15a e la prima camera 14a e sono collegate al circuito 2 in modo che quando il primo comparto 20 ? nella prima condizione operativa e pompa liquido verso la seconda porzione 2b, il quinto comparto ? nella sua seconda condizione operativa e richiama liquido dalla terza porzione 2c (in particolare dal serbatoio 17 ? si veda figura 1), ad esempio attraverso una linea di servizio 35. Analogamente, quando il primo comparto 20 ? nella seconda condizione operativa, il quinto comparto 24 si trova nella propria prima condizione operativa spingendo liquido verso la seconda porzione 2b del circuito, ad esempio attraverso una linea 30? che come la linea 30 fa capo all?evaporatore 3 (si veda figura 2).
Come l?esperto del ramo pu? comprendere, possono essere previsti vari sistemi per pilotare la pompa 13 e imporre le condizioni operative dei vari comparti come sopra descritte. Nell?esempio non limitativo illustrato in figure 1 e 2 si prevede che l?impianto comprenda almeno un gruppo valvolare 50 cooperante con la pompa 13 e configurato per:
- porre il primo comparto 20 della pompa selettivamente nella rispettiva prima o nella rispettiva seconda condizione operativa,
- porre il secondo comparto 21 della pompa selettivamente nella rispettiva prima o nella rispettiva seconda condizione operativa, in particolare facendo in modo di porre il primo comparto 20 nella rispettiva prima condizione operativa quando il secondo comparto 21 si trova anch?esso nella rispettiva prima condizione operativa e porre il primo comparto 20 nella rispettiva seconda condizione operativa quando il secondo comparto 21 si trova anch?esso nella rispettiva seconda condizione operativa,
- porre il quarto comparto 23 selettivamente nella rispettiva prima condizione operativa o seconda condizione operativa, in particolare ponendo il quarto comparto 23 nella rispettiva seconda condizione operativa quando il secondo comparto (e quindi anche il primo) si trova nella rispettiva prima condizione operativa e ponendo il quarto comparto nella rispettiva prima condizione operativa quando il secondo comparto (e quindi anche il primo) si trova nella rispettiva seconda condizione operativa,
- qualora presente porre il quinto comparto 24 nella propria seconda condizione operativa quando il primo comparto 20 ? nella propria prima condizione operativa, e porre il quinto comparto 24 nella propria prima condizione operativa quando il primo comparto ? nella propria seconda condizione operativa (in modo quindi da pompare fluido di lavoro verso l?evaporatore 3 sia nella corsa in una direzione che nella corsa in direzione opposta del pistone 13).
In maggior dettaglio il gruppo valvolare 50 esemplificativamente illustrato in figure 1 e 2 comprende una prima valvola di non ritorno 51 la quale pu? essere fisicamente portata dal corpo della pompa 13 (ad esempio direttamente associata ad un?apertura di uscita del primo comparto) o la quale pu? operare sulla prima porzione 2a del circuito chiuso (ad esempio sulla linea 30), per consentire l?alimentazione di fluido di lavoro allo stato liquido in uscita dal primo comparto 20 verso detto evaporatore 3 (impedendo nel contempo il ritorno di fluido verso il primo comparto). Il gruppo valvolare 50 comprende ad esempio anche una seconda valvola di non ritorno 52 la quale pu? essere portata dal corpo pompa, ad esempio anche essa direttamente associata ad un?apertura di ingresso nel primo comparto 20, o la quale pu? operare sulla terza porzione 2c del circuito chiuso (ad esempio posta sulla linea 31), per consentire l?ingresso nel primo comparto di fluido di lavoro allo stato liquido proveniente dalla stessa terza porzione 2c (in particolare dal serbatoio 17), durante una fase di carica del primo comparto con fluido di lavoro. Il gruppo valvolare 50 esemplificativamente illustrato in figure 1 e 2 comprende anche una terza valvola di non ritorno 54 la quale pu? essere fisicamente portata dal corpo della pompa 13 (ad esempio direttamente associata ad un?apertura di uscita del quinto comparto) o la quale pu? operare sulla prima porzione 2a del circuito chiuso (ad esempio sulla linea 30?), per consentire l?alimentazione di fluido di lavoro allo stato liquido in uscita dal quinto comparto verso detto evaporatore 3 (impedendo nel contempo il ritorno di fluido verso il quinto comparto). Il gruppo valvolare 50 comprende ad esempio anche una quarta valvola di non ritorno 55 la quale pu? essere portata dal corpo pompa, ad esempio anche essa direttamente associata ad un?apertura di ingresso nel quinto comparto 24 o operante sulla terza porzione 2c del circuito chiuso (ad esempio posta sulla linea 35), per consentire l?ingresso nel quinto comparto di fluido di lavoro allo stato liquido proveniente dalla stessa terza porzione 2c (in particolare dal serbatoio 17), durante una fase di carica del quinto comparto con fluido di lavoro.
Il gruppo valvolare 50 pu? anche prevedere la presenza di un selettore 53 ad almeno 4 vie e due posizioni il quale pu? essere selettivamente posto in una prima posizione (figura 1) o in una seconda posizione (figura 2). Il selettore 53, nella prima posizione, pone il quarto comparto 23 nella rispettiva seconda condizione operativa (ossia in collegamento di fluido con la line di servizio 33) ponendo contemporaneamente il secondo comparto 21 nella rispettiva prima condizione operativa (ossia in comunicazione di fluido con la linea di servizio 32 ? si veda figura 1). Il selettore 53, nella seconda posizione, pone il quarto comparto 23 nella rispettiva prima condizione operativa (ossia in comunicazione di fluido con la linea di servizio 32) contemporaneamente ponendo il secondo comparto nella rispettiva seconda condizione operativa (ossia in comunicazione di fluido con la line di servizio 33). In pratica il selettore 53 pone alternativamente il secondo o il quarto comparto in comunicazione con la linea 32 e quindi con il fluido di lavoro allo stato gassoso presente nella seconda porzione 2b del circuito 2 o con la line 33 di scarico del gas al serbatoio 17. Il selettore 53 pu? anche comprendere una terza posizione in cui il selettore chiude entrata ed uscita di fluido sia dal quarto che dal secondo comparto di fatto bloccando la pompa 13 (negli esempi di figure 1 e 2 tale terza posizione ? prevista, ma non selezionata).
Il coordinamento del selettore 53 e quindi il passaggio dello stesso tra le varie posizioni sopra descritte pu? essere fatto con un controllo elettronico, elettromeccanico o puramente meccanico.
Ad esempio, pu? essere previsto che l?unit? di controllo 100 invii un comando al selettore per posizionarlo in una delle posizioni sopra descritte. Un sensore di fine corsa 60 associato alla pompa 13 pu? ad esempio rilevare il raggiungimento da parte di detto pistone 15 di rispettive posizioni di fine corsa ed emettere un corrispondente segnale di comando per l?unit? di controllo 100 che pu? essere configurata per comandare il passaggio dalla prima alla seconda posizione del selettore sulla base di detto segnale dal sensore di fine corsa 60. Alternativamente, il sensore di fine corsa 60 pu? comandare direttamente il selettore 53 a spostarsi tra la prima e la seconda posizione e viceversa.
Come gi? si ? accennato, l?unit? di controllo 100 pu? anche essere configurata per comandare il gruppo valvolare 50 ed in particolare il selettore 53 associato alla pompa 13 per collegare opportunamente o isolare idraulicamente la pompa stessa rispetto al circuito 2 a seconda del livello captato dal sensore 17c e/o a seconda del livello captato dal sensore di livello 3c operante presso l?evaporatore 3: ad esempio se il sensore di livello rilevato dal sensore di livello 3c indica un livello di liquido alto, l?unit? di controllo pu? essere configurata a disattivare la pompa ad esempio portando il selettore nella terza posizione di blocco idraulico. Inoltre, l?unit? di controllo pu? essere configurata a far ripartire la pompa e quindi a posizionare il selettore sulla prima o seconda posizione (alternativamente) per pompare fluido allo stato liquido verso l?evaporatore qualora il sensore di livello 3c indichi un livello di liquido nell?evaporatore stesso che sia troppo basso. Analogamente, se il sensore di livello rilevato dal sensore di livello 17c indica un livello di liquido alto, l?unit? di controllo pu? essere configurata a attivare la pompa ad esempio portando il selettore dalla terza posizione di blocco idraulico alternativamente nella prima e nella seconda posizione. Inoltre, l?unit? di controllo pu? essere configurata ad arrestare la pompa 13 e quindi a posizionare il selettore nella terza posizione operativa qualora il sensore di livello 17c indichi un livello di liquido nel serbatoio di raccolta 17 che sia troppo basso.
Se il sensore di livello 3c o 17c ? un dispositivo meccanico ad esempio a galleggiante il dispositivo pu? essere cinematicamente connesso al selettore 53 per comandarne lo spostamento verso la terza posizione o fuori dalla terza posizione e isolare o meno la pompa stessa dal circuito 2, a seconda del livello captato dal sensore 3 o rispettivamente 17c.
Infine, in un?ulteriore variante, la pompa 13 pu? essere controllata dall?unit? di controllo semplicemente su base temporale determinano la commutazione del selettore ad intervalli regolari prestabiliti.
Esempio di cui alle figure 3 e 4
Con riferimento alle figure 3 e 4 ? mostrata una variante realizzativa in cui la pompa 13 comprende un involucro 14 definente almeno una camera 14a all?interno della quale opera un pistone 15 avente una prima ed una seconda testa 15a, 15b scorrevolmente ospitate nella camera 14a. Nel caso specifico la prima e la seconda testa sono connesse da uno stelo o altro corpo rigido 15d estendentesi trasversalmente alle stesse prima e seconda testa 15a, 15b. Come si pu? notare dalle figure 3 e 4 il pistone 15 si muove a vai e vieni all?interno dell?involucro 14 lungo un prefissato asse X con la prima e la seconda testa 15a, 15b che quindi si muovono anch?esse a vai e vieni nella camera 14a. La camera 14a presenta conformazione prismatica ed in particolare preferibilmente cilindrica con quindi la prima e la seconda testa che presentano anche esse sezione trasversale (perpendicolare all?asse X) di conformazione poligonale o, preferibilmente, circolare, dovendo scorrere a tenuta all?interno della camera 14a e presentare quindi profilo controsagomato alla superficie interna della camera 14a stessa.
La prima testa 15a del pistone delimita, in cooperazione con l?involucro 14, un primo comparto 20; a sua volta, la seconda testa 15b delimita, sempre in cooperazione con detto involucro, un secondo comparto 21. Riassumendo quindi: la prima testa 15a e la seconda testa 15b definiscono i comparti 20 e 21 che presentano volume variabile al variare della posizione del pistone 15.
Il primo comparto 20 pu? essere posto in comunicazione di fluido con una prima porzione 2a del circuito chiuso 2 estendentesi a valle della pompa 13 ed a monte dell?evaporatore 3, per inviare fluido di lavoro allo stato liquido verso lo stesso evaporatore 3: ad esempio il primo comparto 20 pu? presentare una luce di uscita a cui fa capo una linea 30 della prima porzione 2a del circuito 2. Il primo comparto 20 ? anche collegabile con una terza porzione 2c del circuito chiuso 2: ad esempio il primo comparto 20 pu? presentare una luce di ingresso collegata ad una linea 31 della terza porzione 2c del circuito 2, a monte della pompa 13, per ricevere fluido di lavoro allo stato liquido proveniente dal condensatore 16 e pi? precisamente dalla zona inferiore 17a del serbatoio 17; in maggior dettaglio, il primo comparto ? selettivamente configurabile in una rispettiva prima condizione operativa (fig.3), in cui tale primo comparto ? in comunicazione di fluido con la linea 30 e quindi con la prima porzione 2a del circuito chiuso 2 (ma non con la terza porzione 2c), ed in una rispettiva seconda condizione operativa (fig. 4), in cui il primo comparto ? in comunicazione di fluido con la linea 31 della terza porzione 2c del circuito chiuso 2 a monte della pompa 13 per ricevere fluido di lavoro allo stato liquido proveniente dal serbatoio 17 (ma non dalla prima porzione 2).
Il secondo comparto 21 pu? essere posto in comunicazione di fluido, ad esempio grazie ad un linea 32, con la seconda porzione 2b del circuito chiuso 2 per ricevere fluido di lavoro allo stato gassoso generato dall?evaporatore 3 o, ad esempio grazie ad una linea 33, con la terza porzione 2c ed in particolare con la zona superiore 17b del serbatoio al fine di scaricare fluido di lavoro nel serbatoio stesso. In maggior dettaglio, il secondo comparto 21 ? selettivamente configurabile in una rispettiva prima condizione operativa (fig.3), in cui tale secondo comparto ? in comunicazione di fluido con la seconda porzione 2b del circuito chiuso 2 (attraverso la linea 32), ed in una rispettiva seconda condizione operativa (fig.4), in cui il secondo comparto ? in comunicazione di fluido con la terza porzione 2c del circuito chiuso 2 (ad esempio attraverso la linea 33) per scaricare fluido di lavoro allo stato gassoso in tale terza porzione ed in particolare nel serbatoio 17.
In accordo con un aspetto dell?invenzione, la pompa 13 ? configurata e controllata dall?impianto in modo che il primo comparto 20 si trovi nella rispettiva prima condizione operativa quando anche il secondo comparto 21 si trova nella rispettiva prima condizione operativa ed in modo che il primo comparto 20 si trovi nella rispettiva seconda condizione operativa quando anche il secondo comparto 21 si trova nella rispettiva seconda condizione operativa; in questo modo, il gas in pressione proveniente dalla seconda porzione 2b e prodotto dall?evaporatore 3, che quindi ? ad alta pressione (ad esempio ad una pressione da 5 a 10 bar, tipicamente da 20 a 25 bar superiore alla pressione del fluido di lavoro nel serbatoio 17) entrante nel secondo comparto della pompa tende quanto meno ad equilibrare la pressione nel primo comparto. Grazie al pistone 15 sopra descritto ed alle teste 15a e 15b, la pompa 13 ? configurata in modo che le variazioni di volume interno del primo e del secondo comparto siano interconnesse: in altre parole, ? sufficiente una piccola forza promossa da un organo motore 70 associato alla pompa 13 (sufficiente a vincere gli attriti) per determinare lo spostamento del pistone 15 e, a seguito dell?ingresso di detto fluido di lavoro allo stato gassoso proveniente dalla seconda porzione 2b del circuito chiuso nel secondo comparto 21 avere una movimentazione della seconda testa 15b (verso destra in fig. 3) con incremento di volume del secondo comparto stesso: questo promuove una corrispondente movimentazione della prima testa 15a (sempre verso destra in fig.3) con conseguente riduzione di volume del primo comparto 20 causando il trasferimento di fluido di lavoro allo stato liquido dal primo comparto verso detto evaporatore 3.
Grazie a questa soluzione, ? possibile usufruire di una parte (in realt? relativamente piccola) dell?energia termica del gas caldo e ad alta pressione presente nella seconda porzione 2b del circuito per agevolare il pompaggio di fluido di lavoro. Come accennato nell?esempio di figure 3 e 4 la pompa 13 comprende l?organo motore 70, che pu? opzionalmente essere un motore elettrico o un motore idraulico o un attuatore elettrico o un attuatore idraulico o un attuatore pneumatico. L?organo motore 70 ? attivo sul pistone 15 per determinarne una movimentazione a va e vieni lungo una prefissata corsa all?interno di detto involucro a bassissimo consumo di energia (ad esempio elettrica). Ad esempio nelle figure 3 e 4 ? mostrato un organo motore 70 collegato ad un pignone 71 che agisce su una cremagliera 72 portata dal pistone 13 per muovere a vai e vieni il pistone stesso lungo la sua corsa operativa e quindi determinare il pompaggio di fluido di lavoro liquido verso l?evaporatore. Ovviamente collegamenti tra motore 70 e pistone 11 di altra natura possono equivalentemente essere previsti. L?unit? di controllo 100 pu? controllare l?organo motore 70 in una direzione o nell?altra comandando l?inversione del moto sulla base di un segnale proveniente da uno o pi? sensori di fine corsa 60 portati dalla pompa e comunicativamente connessi con l?unit? 100 o sulla base di prefissati intervalli temporali.
Anche nell?esempio di figure 3 ? 4 pu? essere previsto un gruppo valvolare 50 cooperante con la pompa 13 e configurato per:
- porre il primo comparto della pompa selettivamente nella rispettiva prima o nella rispettiva seconda condizione operativa;
- porre il secondo comparto della pompa selettivamente nella rispettiva prima o nella rispettiva seconda condizione operativa, in particolare ponendo il primo comparto nella rispettiva prima condizione operativa quando il secondo comparto si trova nella rispettiva prima condizione operativa e ponendo il primo comparto nella rispettiva seconda condizione operativa quando il secondo comparto si trova nella rispettiva seconda condizione operativa.
Il gruppo valvolare 50 pu? ad esempio comprendere una prima valvola di non ritorno 51, la quale pu? essere fisicamente portata dal corpo della pompa 13 (ad esempio direttamente associata ad un?apertura di uscita del primo comparto) o operante sulla prima porzione 2a del circuito chiuso (ad esempio posta sulla linea 30), per consentire l?alimentazione di fluido di lavoro allo stato liquido in uscita dal primo comparto verso detto evaporatore 3 (impedendo nel contempo il ritorno di fluido verso il primo comparto). Il gruppo valvolare 50 comprende ad esempio anche una seconda valvola di non ritorno 52, la quale pu? essere portata dal corpo pompa, ad esempio anche essa direttamente associata ad un?apertura di ingresso nel primo comparto 20 o operare sulla terza porzione 2c del circuito chiuso (ad esempio sulla linea 31), per consentire l?ingresso nel primo comparto di fluido di lavoro allo stato liquido proveniente dalla stessa terza porzione 2c (in particolare dal serbatoio 17), durante una fase di carica del primo comparto con fluido di lavoro.
Il gruppo valvolare 50 pu? anche comprendere una terza valvola di non ritorno 56 la quale pu? essere fisicamente portata dal corpo della pompa 13 (ad esempio direttamente associata ad un?apertura di ingresso del secondo comparto) o operare sulla seconda porzione 2b del circuito chiuso (ad esempio sulla linea 32), per consentire l?alimentazione di fluido di lavoro allo stato gassoso generato da detto evaporatore 3 verso il secondo comparto (impedendo nel contempo il ritorno di fluido verso l?evaporatore). Il gruppo valvolare 50 comprende ad esempio anche una quarta valvola di non ritorno 57, la quale pu? essere portata dal corpo pompa, ad esempio direttamente associata ad un?apertura di uscita dal secondo comparto 21 o operare sulla terza porzione 2c del circuito chiuso (ad esempio sulla linea 33), per consentire l?uscita dal secondo comparto di fluido di lavoro allo stato gassoso verso la stessa terza porzione 2c (in particolare verso il serbatoio 17), durante una fase di scarica del secondo comparto da fluido di lavoro.
Alternativamente a quanto descritto, il gruppo valvolare 50 potrebbe comprendere un selettore, ad esempio a 4 vie e due posizioni (o altro selettore valvolare), ad esempio controllato dall?unit? 100, in grado di consentire il posizionamento del primo e del secondo comparto nelle condizioni operative sopra descritte.
Bench? negli esempi sopra illustrati sia stata descritta una pompa utilizzante un pistone con pi? teste, ? possibile prevedere in luogo del pistone l?uso di diaframmi o membrane (facenti la funzione delle teste e definenti i vari comparti) collegati/e cinematicamente tra loro in modo che comunque possano essere garantita una funzionalit? della pompa analoga quella qui descritta con i comparti che operano come sopra illustrato.
Inoltre, bench? negli esempi sopra illustrati sia stata descritta una pompa utilizzante un pistone di tipo alternativo, non ? esclusa la possibilit? di utilizzare un sistema con ?pistone rotante?.
Procedimento per la produzione di energia elettrica.
? inoltre oggetto della presente invenzione procedimento utilizzante uno degli impianti sopra descritti o un impianto secondo una qualsiasi delle unite rivendicazioni per la conversione di energia termica in energia meccanica o elettrica. Il procedimento comprende una fase di circolazione del fluido di lavoro il cui moto viene impartito dalla pompa 13. Il fluido di lavoro, spinto dalla pompa 13 raggiunge l?evaporatore 3 il quale, grazie alla sorgente calda H riscalda il fluido di lavoro fino alla sua evaporazione.
Il procedimento pu? inoltre presentare una fase di preriscaldamento del fluido di lavoro per mezzo dell?economizzatore o terzo scambiatore di calore 18. La fase di preriscaldamento consente ad esempio di riscaldare il fluido di lavoro senza causare l?evaporazione di quest?ultimo. Il calore per il preriscaldamento viene prelevato dal gas espanso in uscita dall?espansore 4.
Successivamente alla fase di evaporazione, il fluido di lavoro allo stato gassoso raggiunge l?espansore 4: qui il fluido viene espanso e provoca la rotazione dell?albero motore 11 con generazione di energia meccanica che potrebbe essere direttamente utilizzata. In dettaglio, per effetto di tale espansione, il pistone 5 dell?espansore viene sollecitato a muoversi in senso alternato (espansore alternativo) o rotatorio (espansore rotativo), in modo in s? noto, mettendo in rotazione quindi l?albero 11 che quindi produce energia meccanica la quale, ad esempio, pu? essere direttamente sfruttata se l?albero 11 ? connesso ad un dispositivo o sistema utilizzatore. Alternativamente, l?albero 11 pu? essere connesso con un generatore elettrico 12 per la produzione di energia elettrica che pu? essere opportunamente accumulata, distribuita in rete o utilizzata immediatamente. Il flusso di gas espulso dall?espansore 4 raggiunge poi il lato caldo dell?economizzatore 18, se presente, per poi procedere verso il condensatore 16 nel quale tale fluido viene condensato ed inviato al serbatoio di raccolta 17.
Il serbatoio 17 ? in comunicazione di fluido con la pompa 13 la quale pesca direttamente dalla zona inferiore 17a di detto serbatoio per far circolare nuovamente il fluido di lavoro nel circuito. In maggiore dettaglio, il serbatoio di raccolta 17 ? interposto tra il condensatore 16 e la pompa 13 e permette l?accumulo di fluido di lavoro allo stato liquido: in tale condizione, il serbatoio 17 garantisce alla pompa 13 il pescaggio di liquido evitando il pescaggio di eventuali bolle d?aria garantendo pertanto un?alimentazione continua di liquido.
Nel caso dell?esempio di figure 1 e 2, il pompaggio del liquido avviene come segue. Partendo ad esempio da una condizione dove il pistone 15 della pompa 13 si trova ad un fine corsa e si muove in una sua corsa (ad esempio da sinistra verso destra come mostrato in fig. 1) verso l?opposto fine corsa, il secondo comparto 21 della pompa riceve gas in pressione dalla linea 32 ossia dalla seconda porzione 2b del circuito chiuso 2. Grazie alla maggiore sezione della seconda testa 15b rispetto alla prima testa 15a, il pistone viene mosso in modo che la seconda testa spinga il fluido allo stato gassoso presente nel quarto comparto 23 in scarico verso il serbatoio 17 mentre la prima testa 15a spinge il fluido di lavoro allo stato liquido presente nel primo comparto 20 verso l?evaporatore 3, in particolare attraverso la linea 30. In questa fase fluido allo stato gassoso proveniente dalla zona superiore 17b del serbatoio viene contemporaneamente caricato nella terza camera 22 che preferibilmente ? costantemente in collegamento di fluido con la zona superiore del serbatoio stesso. Nell?esempio di figure 1 e 2 ? anche previsto che la terza testa 15c si sposti nella terza camera 14c aumentando il volume del quinto comparto 24 che richiama fluido allo stato liquido, ad esempio grazie alla linea 35, proveniente dalla zona inferiore 17a del serbatoio 17. Nel contempo, fluido allo stato gassoso presente nel sesto comparto 25 viene scaricato nella zona superiore 17b del serbatoio, visto che il sesto comparto ? preferibilmente in costante comunicazione di fluido con il serbatoio 17 stesso.
Una volta raggiunto il finecorsa (di destra in figura 1), il moto del pistone 15 si inverte (come gi? discusso ad esempio attraverso un comando che sposta il selettore 53 dalla posizione di figura 1 a quella di figura 2) e la prima testa 15a si muove in modo da incrementare il volume del primo comparto 20 che quindi richiama fluido di lavoro allo stato liquido nello stesso primo comparto 21 (si veda figura 2). Allo stesso tempo la terza testa 15c (se presente) spinge il fluido di lavoro contenuto nel quinto comparto verso l?evaporatore 3, ad esempio attraverso la linea 30?. In questa fase, grazie ad un opportuno azionamento del selettore (figura 2) ? il quarto comparto 23 ad essere collegato con la seconda porzione del circuito 2b ed a ricevere fluido allo stato gassoso ed in alta pressione prodotto dall?evaporatore. Tale fluido entrando nel quarto comparto, grazie alla maggiore sezione della seconda testa 15b rispetto alla prima ed alla terza testa, spinge la seconda testa 15b in direzione opposta a quella di figura 1 in modo da ridurre progressivamente il volume della seconda camera 21 che in questa fase scarica fluido allo stato gassoso verso la zona superiore 17b del serbatoio 17. Nel contempo, come gi? detto, il moto del pistone 15 determina il pompaggio del fluido allo stato liquido contenuto nel quinto comparto 24 (se presente) verso l?espansore 3. Nella fase descritta (figura 2), fluido allo stato gassoso nella terza camera 22, che preferibilmente ? costantemente in collegamento di fluido con la zona superiore del serbatoio, viene scaricato nel serbatoio stesso. Nel contempo fluido allo stato gassoso proveniente dalla zona superiore 17b del serbatoio viene ricevuto nel sesto comparto 25, visto che il sesto comparto ? preferibilmente in costante comunicazione di fluido con il serbatoio 17 stesso.
Durante le fasi descritte le valvole di non ritorno 51, 52, 54 e 55 consentono al fluido di muoversi in una sola direzione:
- la valvola 51 consente l?erogazione di fluido allo stato liquido dal primo comparto 20 verso l?evaporatore 3, ma impedisce il ritorno di fluido di lavoro dall?evaporatore verso il primo comparto 20,
- la seconda valvola 52 consente l?alimentazione di fluido di lavoro allo stato liquido dal serbatoio 17 verso il primo comparto 20, ma impedisce lo scarico di fluido dallo stesso primo comparto 20 verso il serbatoio 17,
- la terza valvola 54 consente il flusso di fluido di lavoro allo stato liquido dal quinto comparto 24 verso l?evaporatore 3, ma impedisce il ritorno di fluido di lavoro dall?evaporatore verso il quinto comparto 24,
- infine la valvola 55 consente l?alimentazione di fluido di lavoro allo stato liquido dal serbatoio 17 verso il quinto comparto 24, ma impedisce lo scarico di fluido dallo stesso quinto comparto 24 verso il serbatoio 17.
Nel caso dell?esempio di figure 3 e 4, il pompaggio del liquido avviene come segue. Partendo ad esempio da una condizione dove il pistone 15 della pompa 13 si trova ad un fine corsa e si muove in una sua corsa (ad esempio da sinistra verso destra come mostrato in fig. 3) verso l?opposto fine corsa, il secondo comparto 21 della pompa riceve gas in pressione dalla linea 32 ossia dalla seconda porzione 2b del circuito chiuso 2. Grazie all?attivazione dell?organo motore 70 e visto che la pressione nel primo comparto 20 non ? superiore a quella nel secondo comparto, il pistone viene mosso in modo che la prima testa 15a spinga il fluido di lavoro allo stato liquido presente nel primo comparto 20 verso l?evaporatore 3, in particolare attraverso la linea 30.
Una volta raggiunto il finecorsa (di destra in figura 3), il moto del pistone 15 si inverte (come gi? discusso, ad esempio attraverso un comando che inverte il moto dell?organo motore 70) e la prima testa 15a si muove in modo da incrementare il volume del primo comparto 20 che quindi richiama fluido di lavoro allo stato liquido nello stesso primo comparto (si veda figura 4) proveniente dalla zona inferiore 17a del serbatoio 17. Nel contempo, fluido allo stato gassoso nel secondo comparto 21 viene scaricato verso la zona superiore 17b del serbatoio 17.
Durante le fasi descritte le valvole di non ritorno 51, 52, 56 e 57 consentono al fluido di muoversi in una sola direzione:
- la valvola 51 consente l?erogazione di fluido allo stato liquido dal primo comparto 20 verso l?evaporatore 3, ma impedisce il ritorno di fluido di lavoro dall?evaporatore verso il primo comparto 20,
- la seconda valvola 52 consente l?alimentazione di fluido di lavoro allo stato liquido dal serbatoio 17 verso il primo comparto 20, ma impedisce lo scarico di fluido dallo stesso primo comparto 20 verso il serbatoio 17,
- la terza valvola 56 consente il flusso di fluido di lavoro allo stato gassoso dall?evaporatore 3 verso il secondo comparto, ma impedisce il ritorno di fluido di lavoro dal secondo comparto 21 verso l?evaporatore,
- infine la quarta valvola 57 consente lo scarico di fluido di lavoro allo stato gassoso dal secondo comparto 21 verso il serbatoio 17, ma impedisce il ritorno di fluido dal serbatoio al secondo comparto 21.
Grazie alle soluzioni descritte e rivendicate, ? possibile sfruttare parte dell?energia presente nel fluido di lavoro per determinare o supportare il pompaggio del fluido stesso nel circuito chiuso 2, con conseguente incremento del rendimento complessivo del ciclo.
In aggiunta, la tipologia di pompa a pistone 13 descritta si presta ad essere usata con affidabilit? in quanto di semplice struttura e capace di operare ad alti valori di salto pressorico senza problematiche di tenuta, altres? necessitando scarsa manutenzione.
Va anche notato come l?impianto ed il processo siano completamente o quasi completamente auto-sostenuti sotto il profilo energetico.
Inoltre, con un opportuno pilotaggio della pompa 13 le problematiche di cavitazione possono essere totalmente evitate.

Claims (17)

RIVENDICAZIONI
1. Impianto (1) per la conversione di energia termica in energia elettrica e/o meccanica comprendente:
- un circuito chiuso (2) per la circolazione di almeno un fluido di lavoro, - almeno una pompa (13) operante nel circuito chiuso (2) e predisposta per far circolare il fluido di lavoro nel circuito chiuso stesso,
- almeno un evaporatore (3) attivo sul circuito chiuso (2) e configurato per ricevere calore da una sorgente calda (H) e riscaldare il fluido di lavoro fino a determinarne il passaggio dallo stato liquido a quello gassoso, - almeno un espansore, opzionalmente volumetrico, (4) operante nel circuito chiuso (2) a valle dell?evaporatore (3) e configurato per ricevere in ingresso fluido di lavoro allo stato gassoso,
- almeno un condensatore (16) attivo sul circuito chiuso (2) a valle dell?espansore (4) ed a monte della pompa (13), detto condensatore (16) essendo configurato per condensare il fluido di lavoro determinandone il passaggio dallo stato gassoso allo stato liquido,
in cui la pompa (13) comprende:
- almeno un primo comparto (20) posizionabile in comunicazione di fluido con una prima porzione (2a) del circuito chiuso (2), estendentesi a valle della pompa (13) ed a monte dell?evaporatore (3), per inviare fluido di lavoro allo stato liquido verso lo stesso evaporatore (3), ed
- almeno un secondo comparto (21) posizionabile in comunicazione di fluido con una seconda porzione (2b) del circuito chiuso, estendentesi a valle di detta prima porzione (2a) ed a monte dell?espansore (4), per ricevere fluido di lavoro allo stato gassoso generato dall?evaporatore (3).
2. Impianto secondo la rivendicazione 1, in cui la pompa ? configurata per determinare un incremento di volume del secondo comparto (21) a seguito dell?ingresso di detto fluido di lavoro allo stato gassoso proveniente dalla seconda porzione (2b) nello stesso secondo comparto (21), e conseguentemente promuovere una riduzione di volume del primo comparto (20) causando il trasferimento di fluido di lavoro allo stato liquido verso detto evaporatore (3).
3. Impianto secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il primo comparto (20) ? selettivamente configurabile in una rispettiva prima condizione operativa, in cui tale primo comparto (20) ? in comunicazione di fluido con la prima porzione (2a) del circuito chiuso (2), ed in una rispettiva seconda condizione operativa, in cui il primo comparto (20) ? in comunicazione di fluido con una terza porzione (2c) del circuito chiuso (2), estendentesi a valle del condensatore (16) ed a monte della pompa (13), per ricevere fluido di lavoro allo stato liquido proveniente dal condensatore (16); in cui il secondo comparto (21) ? selettivamente configurabile in una rispettiva prima condizione operativa, in cui tale secondo comparto (21) ? in comunicazione di fluido con la seconda porzione (2b) del circuito chiuso (2), ed in una rispettiva seconda condizione operativa, in cui il secondo comparto (21) ? in comunicazione di fluido con la terza porzione (2c) del circuito chiuso (2) a monte della pompa (13) per scaricare fluido di lavoro allo stato gassoso in tale terza porzione (2c);
ed in cui l?impianto ? configurato per tenere il primo comparto (20) nella rispettiva prima condizione operativa quando il secondo comparto (21) si trova nella rispettiva prima condizione operativa e per tenere il primo comparto (20) nella rispettiva seconda condizione operativa quando il secondo comparto (21) si trova nella rispettiva seconda condizione operativa.
4. Impianto secondo la rivendicazione 1 o 2 o 3, comprendente almeno un serbatoio di raccolta (17) operante in corrispondenza della terza porzione (2c) del circuito chiuso (2) ed interposto tra il condensatore (16) e la pompa (13), detto serbatoio di raccolta (17) essendo configurato ricevere fluido di lavoro proveniente dal condensatore (16) e per contenere fluido di lavoro allo stato liquido in equilibrio con fluido di lavoro allo stato gassoso;
in cui il primo comparto (20), nella rispettiva seconda condizione operativa, ? in comunicazione di fluido con una zona del serbatoio di raccolta (17), in particolare una zona inferiore (17a) del serbatoio di raccolta, in cui ? presente fluido di lavoro in fase liquida per ricevere fluido di lavoro allo stato liquido dal serbatoio di raccolta; ed
in cui il secondo comparto (21), nella rispettiva seconda condizione operativa, ? in comunicazione di fluido con una zona del serbatoio di raccolta (17), in particolare una zona superiore (17b) del serbatoio di raccolta, in cui ? presente fluido di lavoro in fase gassosa, per scaricare fluido di lavoro allo stato gassoso nel serbatoio di raccolta.
5. Impianto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la pompa (13) comprende un involucro ed almeno un pistone operante all?interno dell?involucro, il pistone presentando una prima testa delimitante, in cooperazione con detto involucro, il primo comparto (20), ed una seconda testa delimitante, in cooperazione con detto involucro, il secondo comparto (21),
la prima e la seconda testa essendo connesse tra loro, in particolare rigidamente connesse tra loro, in modo che:
- quando detto primo comparto (20) e detto secondo comparto (21) si trovano ciascuno nella rispettiva prima condizione operativa, fluido di lavoro allo stato gassoso generato dall?evaporatore (3) entrante in detto secondo comparto (21) contribuisca a movimentare la seconda testa di detto pistone determinando altres? la movimentazione della prima testa e l?espulsione di fluido di lavoro allo stato liquido dal primo comparto (20) e l?invio dello stesso verso detto evaporatore (3),
- quando detto primo comparto (20) e detto secondo comparto (21) si trovano ciascuno nella rispettiva seconda condizione operativa, fluido di lavoro allo stato liquido entrante in detto primo comparto (20) contribuisca a movimentare la prima testa di detto pistone determinando altres? la movimentazione della seconda testa e l?espulsione di fluido di lavoro allo stato gassoso dal secondo comparto (21) e l?invio dello stesso verso una/detta terza porzione (2c) del circuito chiuso (2), estendentesi a valle del condensatore (16) ed a monte della pompa (13).
6. Impianto secondo la rivendicazione 5, in cui la pompa comprende un organo motore (70), opzionalmente un motore elettrico o un motore idraulico o un attuatore elettrico o un attuatore idraulico o un attuatore pneumatico, attivo su detto pistone per determinarne una movimentazione a va e vieni lungo una prefissata corsa all?interno di detto involucro.
7. Impianto secondo la rivendicazione 5, in cui l?involucro definisce almeno una prima ed una seconda camera di lavoro idraulicamente separate tra loro e ciascuna definente una rispettiva volumetria occupabile dal fluido di lavoro,
in cui la volumetria della seconda camera ? superiore alla volumetria della prima camera, in particolare almeno 1,5 volte superiore alla volumetria della prima camera;
in cui la prima testa del pistone ? scorrevolmente ospitata nella prima camera e la seconda testa del pistone ? scorrevolmente ospitata nella seconda camera, la prima e la seconda testa essendo connesse rigidamente, opzionalmente da uno stelo estendentesi trasversalmente alle stesse prima e seconda testa ed attraversante a tenuta di fluido una parete di separazione tra la prima e la seconda camera, ed in cui la prima testa presenta una sezione trasversale attiva inferiore a quella della seconda testa;
in cui la prima testa del pistone separa la prima camera in detto primo comparto (20) ed in un terzo comparto (22) della pompa, detto primo e terzo comparto (22) estendendosi su lati contrapposti della prima testa del pistone e presentando volume variabile al variare della posizione della prima testa nella prima camera; in cui la seconda testa del pistone separa la seconda camera in detto il secondo comparto (21) ed in un quarto comparto (23) della pompa, detto secondo e quarto comparto (23) estendendosi su lati contrapposti della seconda testa del pistone e presentando volume variabile al variare della posizione della seconda testa nella seconda camera;
opzionalmente in cui il primo comparto (20) ? adiacente al terzo comparto (22) che ? adiacente al quarto comparto (23) che a sua volta ? adiacente al secondo comparto (21).
8. Impianto secondo la rivendicazione 7, in cui il terzo comparto (22) ? in comunicazione di fluido con la terza porzione (2c) del circuito chiuso (2) a monte della pompa (13), in particolare con una zona superiore del serbatoio di raccolta (17), in cui ? presente fluido di lavoro in fase gassosa.
9. Impianto secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui il quarto comparto (23) ? selettivamente configurabile in una rispettiva prima condizione operativa, in cui tale quarto comparto (23) ? in comunicazione di fluido con la seconda porzione (2b) del circuito chiuso (2), ed in una rispettiva seconda condizione operativa, in cui il quarto comparto (23) ? in comunicazione di fluido con la terza porzione (2c) del circuito chiuso (2) a monte della pompa (13), in particolare con una zona superiore del serbatoio di raccolta (17), in cui ? presente fluido di lavoro in fase gassosa per scaricare fluido di lavoro allo stato gassoso in tale terza porzione (2c);
ed in cui l?impianto (1) ? configurato per tenere il quarto comparto (23) nella rispettiva seconda condizione operativa quando il secondo comparto (21) si trova nella rispettiva prima condizione operativa e tenere il quarto comparto (23) nella rispettiva prima condizione operativa quando il secondo comparto (21) si trova nella rispettiva seconda condizione operativa.
10. Impianto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti da 3 a 9 comprendente almeno un gruppo valvolare (50) cooperante con la pompa (13) e configurato per:
porre il primo comparto (20) della pompa (13) selettivamente nella rispettiva prima o nella rispettiva seconda condizione operativa;
porre il secondo comparto (21) della pompa (13) selettivamente nella rispettiva prima o nella rispettiva seconda condizione operativa;
ed in cui il gruppo valvolare ? configurato per porre il primo comparto (20) della pompa (13) nella rispettiva prima condizione operativa quando il secondo comparto (21) si trova nella rispettiva prima condizione operativa e porre il primo comparto (20) nella rispettiva seconda condizione operativa quando il secondo comparto (21) si trova nella rispettiva seconda condizione operativa.
11. Impianto secondo la rivendicazione 10, in cui il gruppo valvolare (50) comprende:
una prima valvola di non ritorno (51), opzionalmente operante sulla prima porzione (2a) del circuito chiuso (2), per consentire alimentazione di fluido di lavoro allo stato liquido in uscita dal primo comparto (20) verso detto evaporatore (3),
una seconda valvola di non ritorno (52), opzionalmente operante sulla terza porzione (2c) del circuito chiuso (2), per consentire l?ingresso nel primo comparto (20) di fluido di lavoro allo stato liquido proveniente dalla stessa terza porzione (2c), una terza valvola di non ritorno (56), opzionalmente operante su una linea di servizio (32) che connette il secondo comparto (21) con la seconda porzione (2b) del circuito chiuso (2), per consentire l?ingresso di fluido di lavoro allo stato gassoso generato dall?evaporatore (3) nel secondo comparto (21),
una quarta valvola di non ritorno (57), opzionalmente operante su una ulteriore linea di servizio (33) che connette il secondo comparto (21) con la terza porzione (2c) del circuito chiuso (2), per consentire lo scarico di fluido di lavoro allo stato gassoso dal secondo comparto (21) nella stessa terza porzione (2c) del circuito chiuso.
12. Impianto secondo le rivendicazioni 9 e 10, in cui il gruppo valvolare (50) ? altres? configurato per:
porre il quarto comparto (23) selettivamente nella rispettiva prima condizione operativa o seconda condizione operativa,
e per porre il quarto comparto (23) nella rispettiva seconda condizione operativa quando il secondo comparto (21) si trova nella rispettiva prima condizione operativa, viceversa ponendo il quarto comparto (23) nella rispettiva prima condizione operativa quando il secondo comparto (21) si trova nella rispettiva seconda condizione operativa.
13. Impianto secondo la rivendicazione 12, in cui il gruppo valvolare (50) comprende:
una prima valvola di non ritorno (51), opzionalmente operante sulla prima porzione (2a) del circuito chiuso (2), per consentire alimentazione di fluido di lavoro allo stato liquido in uscita dal primo comparto (20) verso detto evaporatore (3),
una seconda valvola di non ritorno (52), opzionalmente operante sulla terza porzione (2c) del circuito chiuso (2), per consentire l?ingresso nel primo comparto (20) di fluido di lavoro allo stato liquido proveniente dalla stessa terza porzione (2c), un selettore (53) ad almeno 4 vie e due posizioni il quale, in una prima posizione, pone il quarto comparto (23) nella rispettiva seconda condizione operativa ponendo contemporaneamente il secondo comparto (21) nella rispettiva prima condizione operativa, ed il quale selettore (53), in una seconda posizione, pone il quarto comparto (23) nella rispettiva prima condizione operativa contemporaneamente ponendo il secondo comparto (21) nella rispettiva seconda condizione operativa.
14. Impianto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti comprendente: - un sensore di livello (3c) associato al serbatoio (17) e/o un sensore di livello (17c) associato all?evaporatore (3);
- un?unit? di controllo (100) comunicativamente connessa con almeno uno tra o il sensore di livello (3c) associato all?evaporatore, tale sensore di livello inviando almeno un corrispondente segnale relativo al livello di liquido nell?evaporatore all? unit? di controllo (100) che ? configurata per ricevere tale segnale e, in funzione del segnale stesso, comandare o meno l?attivazione della pompa (13), ad esempio operando sul posizionamento di detto selettore (53) o attivando detto organo motore (70) sulla base di almeno detto segnale;
o il sensore di livello (17c) associato al serbatoio, tale sensore di livello inviando almeno un corrispondente segnale relativo al livello di liquido nel serbatoio all? unit? di controllo (100) che ? configurata per ricevere tale segnale e, in funzione del segnale stesso, comandare o meno l?attivazione della pompa (13), ad esempio operando sul posizionamento di detto selettore (53) o attivando detto organo motore (70) sulla base di almeno detto segnale;
ed in cui alternativamente l?impianto:
- comprende almeno un sensore di fine corsa (60) associato a detta pompa per rilevare il raggiungimento da parte di detto pistone (15) di rispettive posizioni di fine corsa ed in cui:
o il sensore di fine corsa ? configurato per comandare direttamente l?inversione del moto di detto pistone, ad esempio inviando un segnale di comando a detto selettore o a detto organo motore, e/o
o il sensore di fine corsa ? configurato per emettere un corrispondente segnale di comando per una/detta unit? di controllo (100) la quale ? configurata per comandare l?inversione del moto di detto pistone (15), ad esempio operando sul posizionamento di detto selettore (53) o comandando l?attivazione di detto organo motore (70);
- oppure una/detta unit? di controllo (100) ? configurata per comandare l?inversione del moto di detto pistone (15), ad esempio operando sul posizionamento di detto selettore (53) o comandando l?attivazione di detto organo motore (70), a prefissati intervalli regolari di tempo.
15. Impianto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui detto evaporatore (3) comprende almeno un primo scambiatore di calore avente un lato configurato per ricevere calore da una sorgente calda (H) ed un lato attraversato da detta seconda porzione (2b) del circuito chiuso;
in cui il condensatore (16) comprende almeno un secondo scambiatore di calore avente un lato attraversato da un tratto della/di una terza porzione (2c) del circuito chiuso (2) interposta tra l?espansore (4) e la pompa (13), ed un lato configurato per interagire con una sorgente fredda (C) e consentire la condensazione del fluido di lavoro attraversante detto tratto determinandone il passaggio dallo stato gassoso allo stato liquido;
opzionalmente in cui in cui l?impianto comprende almeno un terzo scambiatore di calore (18) avente un lato attraversato da un tratto del circuito chiuso interposto tra l?espansore (4) ed il condensatore (16) ed un lato attraversato da un tratto della prima porzione (2a) del circuito chiuso, per determinare un preriscaldamento del fluido di lavoro allo stato liquido in uscita dalla pompa (13) e diretto verso l?evaporatore (3).
16. Impianto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti comprendente almeno un generatore di energia elettrica (12) connesso all?espansore volumetrico (4);
in cui detto espansore volumetrico (4) comprende:
- almeno un pistone (5) definente una camera di espansione (6) a volume variabile,
- un albero principale (11) cinematicamente collegato al pistone (5) e configurato per muoversi di moto rotatorio attorno ad un asse principale, - almeno una valvola (8) configurata per aprire e chiudere selettivamente un ingresso ed un?uscita (9, 10) alla camera di espansione (6) consentendo almeno:
? una condizione di immissione del fluido di lavoro nella camera di espansione (6),
? una condizione di espansione del fluido di lavoro nella camera di espansione (6), ed
? una condizione di scarico del fluido di lavoro da detta camera di espansione (6);
in cui detto generatore di energia elettrica ? connesso all?albero principale, opzionalmente in cui l?impianto ? configurato per realizzare un ciclo chiuso Rankine.
17. Procedimento per la conversione di energia termica in energia elettrica e/o meccanica comprendente le seguenti fasi:
- predisporre un impianto (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti;
- portare a evaporazione nell?evaporatore (3) il fluido di lavoro;
- espandere il fluido di lavoro in uscita dall?evaporatore (3) all?interno dell?espansore volumetrico (4) e conseguentemente produrre energia meccanica o elettrica da parte del/di un generatore (12) collegato meccanicamente con l?espansore volumetrico,
- condensare nel condensatore (16) il fluido di lavoro in uscita dall?espansore volumetrico (4),
- utilizzare la pompa (13) per pompare verso l?evaporatore (3) fluido di lavoro liquido proveniente dal condensatore (16);
in cui detta pompa utilizza fluido di lavoro allo stato gassoso prodotto dall?evaporatore (3) e spillato dall?evaporatore (3) stesso o dalla seconda porzione (2b) del circuito chiuso (2) compresa tra evaporatore (3) ed espansore volumetrico (4) per pompare verso l?evaporatore (3) detto fluido di lavoro liquido proveniente dal condensatore (16).
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