ITAN20090078A1 - Apparato a pompa di calore per utenze ad alta temperatura e/o utenze miste - Google Patents

Description

D E S C R I Z I O N E

annessa a domanda di Brevetto per Invenzione Industriale avente per titolo:

“APPARATO A POMPA DI CALORE PER UTENZE AD ALTA TEMPERATURA E/O UTENZE MISTE”

DESCRIZIONE DELL ’ INVENZIONE

Forma oggetto della presente invenzione un apparato per l’accumulo di energia termica prodotta da fonti energetiche alternative a temperatura spesso o sempre inferiore a quella richiesta almeno da alcune utenze.

In questi apparati, come noto, un generatore di calore primario riscalda una certa massa di fluido termovettore (in genere acqua) contenuta in un serbatoio ad una prima temperatura; una pompa di calore acqua-acqua ne preleva il fluido raffreddandolo al suo evaporatore mentre riscalda al condensatore una seconda massa di fluido, contenuta in un secondo serbatoio di accumulo, che viene così portato ad una seconda temperatura superiore alla prima e di valore sufficiente per le utenze.

Questo generatore di calore primario può consistere in un impianto solare (si parla, in tal caso, di impianti a pompa di calore elioassistita) oppure in un’altra pompa di calore (che assorbe calore da acqua o dall’aria o dalle c. dd. sonde geotermiche) o in altro ancora.

Questi apparati sono utilizzati o perché il generatore di calore primario non è in grado di fornire direttamente l’energia termica alla temperatura desiderata (come potrebbe essere per un impianto solare) o perché, se la fonte energetica è, come detto, anch’essa una pompa di calore, può essere più efficiente e meno costoso disporre due pompe di calore in cascata, ciascuna opportunamente scelta per i livelli di temperatura tra cui deve operare, piuttosto che prevedere una unica pompa di calore per innalzare la temperatura dal livello a cui è disponibile al livello a cui è utilizzabile.

Gli apparati appena descritti saranno di qui in poi, per brevità, detti semplicemente “apparati a pompa di calore” o, ancor più brevemente, “apparati a PC”.

Inconveniente degli apparati a PC è che sono necessari due serbatoi di accumulo per le due masse di fluido suddette.

Primo scopo della presente invenzione è quello di semplificare il suddetto apparato.

Ulteriore scopo della presente invenzione, quando vi è più di una utenza da soddisfare, è quello di rendere disponibile energia termica ad altrettanti diversi livelli di temperatura, più precisamente ai valori di temperatura minimi necessari per il soddisfacimento di ogni utenza.

Ulteriore scopo della presente invenzione, è quello di poter disattivare la pompa di calore quando il generatore di calore primario riesce a fornire energia a temperatura sufficiente.

Questi ed altri scopi, che risulteranno chiari in seguito, sono raggiunti secondo la presente invenzione da un apparato conforme al dettato delle rivendicazioni annesse.

Ulteriori caratteristiche del presente trovato risulteranno meglio evidenziate dalla seguente descrizione di una preferita forma di realizzazione, conforme alle rivendicazioni brevettuali e illustrata, a puro titolo esemplificativo e non limitativo, nelle allegate tavole di disegno, in cui:

la figura 1 rappresenta schematicamente il detto apparato a PC secondo l’arte nota;

la figura 2 rappresenta schematicamente il detto apparato a PC secondo una prima forma dell’invenzione;

- la figura 3 rappresenta schematicamente il detto apparato a PC secondo una seconda forma dell’invenzione;

le figure 4 e 5 rappresentano schematicamente il detto apparato a PC secondo ulteriori forme dell’invenzione.

Di qui in poi, due corpi qualsiasi si intendono in contatto termico tra loro quando è resa possibile la trasmissione di calore dall’uno verso l’altro in qualsiasi modo noto.

In fig. 1, un generatore di calore primario HS (che, come già detto, può consistere in un impianto solare oppure in un’altra pompa di calore o in altro ancora) riscalda una prima massa di fluido MI contenuta in un primo serbatoio Sbt ad una prima temperatura tl; una seconda massa di fluido M2 contenuta in un secondo serbatoio Sat è riscaldata ad una seconda temperatura t2 da una pompa di calore PC che ha il suo evaporatore E in contatto termico con la detta prima massa di fluido MI ed il suo condensatore C in contatto termico con la detta seconda massa di fluido M2.

Detta seconda massa di fluido M2 può essere inviata all’utenza U essendo la seconda temperatura t2 sufficiente per l’utilizzo.

Nell’apparato a PC secondo arte nota di fig. 1, detti primo e secondo Sbt e Sat sono due entità separate.

Secondo l’invenzione, invece, si vedano le figg. da 2 a 5, dette prima e seconda massa di fluido MI ed M2 sono contenute rispettivamente nella parte inferiore SI e superiore S2 di un unico serbatoio S.

Come per l’arte nota, la pompa di calore PC provvede a riscaldare alla seconda temperatura t2 la detta seconda massa di fluido M2, assorbendo energia termica dalla detta prima massa di fluido MI alla inferiore prima temperatura tl, avendo il suo evaporatore E ed il suo condensatore C sempre in contatto termico rispettivamente con dette prima e seconda massa MI ed M2.

Essendo la seconda temperatura t2 maggiore della prima temperatura tl , si ottiene in modo naturale una stratificazione del fluido così che la seconda massa di fluido M2, più calda della prima massa MI, tende a mantenersi nella parte superiore S2 del serbatoio S.

E’ così possibile, in un unico serbatoio S, accumulare due masse di fluido MI ed M2 a due diverse temperature.

La linea tratteggiata D indica la separazione ideale tra le due parti inferiore e superiore SI ed S2 del serbatoio S ma, secondo alcune varianti, essa potrebbe consistere in un effettivo setto di separazione D quale un graticcio o equivalente diaframma forato, tale da permettere il passaggio del fluido ma anche, allo stesso tempo, di smorzare eventuali moti turbolenti che potrebbero disturbare la stratificazione.

Anche all’interno di ciascuna parte inferiore e superiore SI ed S2 del serbatoio S è bene agevolare la stratificazione del fluido, nel senso di fare in modo che la prima temperatura tl della prima massa MI degradi gradualmente dall’alto verso il basso da un valore tl.s ad un valore tl.i ed altrettanto avvenga per la seconda temperatura t2 della seconda massa M2 da un valore t2.s ad un valore t2.i. Di conseguenza, le prima e seconda temperature tl e t2 vanno intese come i valori medi di detti massimi e minimi valori tl.s, tl.i e t2.s, t2.i.

Per quanto riguarda il riscaldamento della prima massa MI, ciò può avvenire secondo due modalità di base.

Secondo la fig. 2, il generatore di calore primario HS fornisce energia termica alla prima massa di fluido MI tramite uno scambiatore di calore SCI il quale è immerso in detta prima massa di fluido MI sviluppandosi in essa in verticale, sostanzialmente dai livelli più alti sino ai livelli più bassi, ed essendo percorso dall’alto verso il basso dal fluido termovettore.

Secondo la fig. 3, il generatore di calore primario HS fornisce energia termica alla prima massa di fluido MI prelevando la massa MI medesima in corrispondenza dei suoi livelli più bassi e reimmettendola riscaldata in corrispondenza dei suoi livelli più alti.

Questo permette di disporre di almeno la parte più in alto della prima massa di fluido MI ad una prima temperatura tl la più alta possibile, così come assicurata dal generatore di calore primario HS e tale da essere utilizzabile da una prima utenza Ul.

I mezzi per cedere energia termica verso detta prima utenza di calore Ul comprendono un condotto di prelievo 101 di detta prima massa di fluido MI in corrispondenza dei suoi livelli più alti ed un condotto di reimmissione 102 in corrispondenza dei suoi livelli più bassi, avendo Γ avvertenza che la parte di detta prima massa di fluido MI, soggetta direttamente a raffreddamento per effetto dell’evaporatore E della pompa di calore PC, sia delimitata superiormente ed inferiormente, rispettivamente, dalle zone di innesto di detti condotti di prelievo e reimmissione 101, 102 a detta parte SI del serbatoio S, così che il maggior valore tl.s della prima temperatura tl del fluido prelevato dalla prima utenza U1 non sia influenzato dal raffreddamento ad opera dell’ evaporatore E.

La fig. 3 mostra un apparato a PC secondo l’invenzione del tutto analogo a quello di fig. 2, salvo che per le modalità con cui il generatore di calore primario HS fornisce energia termica alla prima massa di fluido MI (aspetto già esaminato) e per il fatto che il raffreddamento della prima massa MI ed il riscaldamento della seconda massa M2 del fluido avvengono, rispettivamente, in un evaporatore E ed in un condensatore C esterni a detto serbatoio S.

La seconda utenza U2 attinge energia termica dalla massa superiore M2 secondo modalità note.

L’apparato a PC realizzato secondo l’invenzione permette versioni anche più complesse ed articolate quali il soddisfare una terza utenza U3, che potrebbe essere acqua calda sanitaria.

Ciò può avvenire (si veda la fig. 4) tramite il riscaldamento di un serbatoio S3 la cui superficie è, almeno parzialmente, in contatto termico con la detta seconda massa di fluido M2; ad esempio, detto serbatoio S3 può essere almeno parzialmente immerso in detta seconda massa di fluido M2.

Vantaggiosamente, il riscaldamento dell’acqua nel serbatoio S3 può avvenire indirettamente ad opera del condensatore C per il tramite della seconda massa di fluido M2, oppure in modo diretto se detto condensatore C è disposto in intimo contatto termico con le pareti di detto serbatoio S3, pur restando immerso in detta seconda massa di fluido M2.

Ma un unico serbatoio S secondo l’invenzione offre un altro importante vantaggio, impossibile da ottenersi con un dispositivo secondo l’arte nota come in fig. 1.

In particolari circostanze, le seconda e/o terza utenze U2 e/o U3 possono essere soddisfatte da una seconda temperatura t2 pari o inferiore alla prima temperatura tl.

Ciò può avvenire perché il generatore di calore primario HS si trova ad operare in condizioni particolarmente favorevoli e riesce a fornire calore ad una prima temperatura tl sufficientemente elevata come, a titolo di esempio, nel caso il detto generatore di calore primario HS sia un impianto fortemente influenzato dalle condizioni climatiche come un impianto solare o una pompa di calore aria-acqua.

Oppure ciò può avvenire, viceversa, perché la seconda utenza U2, in alcune circostanze, richiede una seconda temperatura t2 più bassa.

In questi casi, quando cioè la prima temperatura tl ha livello soddisfacente per le utenze seconda e/o terza U2 e/o U3, è possibile soddisfare tutte le utenze pur disattivando la pompa di calore PC. E’ evidente, infatti, essendo le dette masse di fluido MI ed M2 confinate in un unico serbatoio che riceve calore nella sua parte inferiore SI, che, per circolazione naturale, la seconda temperatura t2 della seconda massa M2 raggiungerà la temperatura desiderata e pari alla prima temperatura tl .

Un importante caso è quello di impianti solari utilizzanti pannelli solari c. dd. scoperti che durante l’estate riescono a raggiungere temperature sufficienti, mentre d’inverno hanno bisogno dell’ intervento di una pompa di calore PC come sopra descritto.

La fig. 5 mostra una ulteriore variante dell’apparato a PC secondo l’invenzione che ancor più ne mostra la flessibilità di impiego a tutto vantaggio dell’efficienza.

In figura è mostrata una ulteriore quarta utenza U4, mentre le seconda e terza utenza U2 ed U3 non sono state disegnate, pur potendo essere presenti, per chiarezza grafica.

La quarta utenza U4:

attinge il fluido dalla sommità della parte inferiore SI, se questa ha il valore di temperatura tl.s sufficiente per la quarta utenza U4 e, altrimenti, dalla sommità della parte superiore S2;

se non utilizza direttamente il suddetto fluido ma ne assorbe energia termica raffreddandolo ad una temperatura di uscita t.u, lo reimmette nel serbatoio S;

in tal caso, se la detta temperatura di uscita t.u è inferiore al valore t2.i della seconda temperatura t2, la reimmissione avviene, preferibilmente, in corrispondenza del fondo della parte inferiore SI, altrimenti, in corrispondenza del fondo della parte superiore S2.

La scelta dei punti di prelievo e degli eventuali punti di reimmissione avviene grazie a degli opportuni condotti di prelievo 401, 402 e 403 e ad eventuali condotti di reimmissione 404, 405 e 406, nonché grazie ad una valvola motorizzata a tre vie di prelievo Vdl e ad una eventuale valvola motorizzata a tre vie di reimmissione Vd2, la posizione delle vie essendo determinata, tramite opportuni mezzi di comando elettromeccanici o elettronici e di sensori di temperatura di per sé noti, dal valore della temperatura tl.s per il prelievo, nonché, in caso di reimmissione, dai valori delle temperature di uscita t.u e dal valore t2.i della seconda temperatura t2.

Un vantaggio di tal variante dell’invenzione è che, quando il fluido può essere prelevato dalla sommità della parte inferiore SI, la pompa di calore PC può funzionare a carico ridotto, non dovendo soddisfare la quarta utenza U4.

Un ulteriore vantaggio è che, quando è prevista la reimmissione, i criteri su indicati per la scelta del punto in cui essa avviene, evitano di raffreddare inutilmente una parte della seconda massa di fluido M2 e buona parte della prima massa di fluido MI, a tutto vantaggio dell’ efficienza termodinamica del processo di assorbimento di energia termica, come evidente agli esperti di termodinamica.

Per finire, si ritorna a far osservare che la fig. 3 mostra un evaporatore E ed un condensatore C esterni al serbatoio S, mentre nelle restanti figure 2, 4 e 5 è mostrata una variante preferita dell’ apparato a PC secondo l’invenzione dove i detti evaporatore E e condensatore C sono interni al medesimo serbatoio S, a tutto vantaggio della compattezza e la semplificazione dell’apparato medesimo che prevede, pertanto, l’espansione e la condensazione diretta del fluido frigorifero airintemo delle masse di fluido MI ed M2.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI Riv. 1 Apparato a pompa di calore (1) per la produzione, l’accumulo e la cessione di energia termica dove - un generatore di calore primario (HS) fornisce energia termica ad una prima massa (MI) di un fluido per mantenerlo ad una prima temperatura (tl) - ed una pompa di calore (PC) assorbe, almeno in parte, detta energia termica da detta prima massa (MI) di fluido per trasferirla ad una seconda massa (M2) di detto fluido per mantenerla ad una seconda temperatura (t2) maggiore di detta prima temperatura (tl) e dove - detto fluido è preferibilmente acqua - e sono previsti mezzi per cedere energia termica da detta seconda massa (M2) del fluido ad una seconda utenza di calore (U2), caratterizzato dal fatto che dette prima e seconda massa (MI, M2) di fluido sono rispettivamente le masse di fluido contenute nella porzione più bassa (SI) e più alta (S2) di un unico serbatoio (S). Riv.
2. 2 Apparato a pompa di calore (1) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che l’evaporatore (E) e/o il condensatore (C) di detta pompa di calore (PC) sono interni al detto serbatoio (S), avvenendo l’espansione e/o la condensazione del fluido frigorifero direttamente all’interno delle dette prima e seconda massa di fluido (MI , M2). Riv.
3. 3 Apparato a pompa di calore (1) secondo qualunque rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che sono ulteriormente previsti mezzi (101, 102) per cedere energia termica da detta prima massa di fluido (MI), mantenuta a detta prima temperatura (tl), verso una prima utenza di calore (Ul). Riv.
4. 4 Apparato a pompa di calore (1) secondo qualsiasi rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che per la fornitura di energia termica da detto generatore di calore primario (HS) a detta prima massa di fluido (MI) sono previsti mezzi (SCI) tali che la prima temperatura (tl) di detta prima massa di fluido (MI), quando ottenuta per il solo effetto di tale fornitura di energia termica, risulti nei livelli più alti non inferiore a quella dei livelli più bassi. Riv.
5. 5 Apparato a pompa di calore (1) secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che la fornitura di energia termica da detto generatore di calore primario (HS) a detta prima massa di fluido (MI) avviene tramite uno scambiatore di calore (SCI) il quale - è immerso in detta prima massa di fluido (MI), - si sviluppa in verticale sostanzialmente dai livelli più alti sino ai livelli più bassi della prima massa di fluido (MI) medesima, - è percorso dal fluido termovettore di detto apparato erogatore di calore (HS) dall’alto verso il basso. Riv.
6. 6 Apparato a pompa di calore (1) secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che la fornitura di energia termica da detto apparato erogatore di calore (HS) a detta prima massa di fluido (MI) avviene all’ esterno di detta porzione più bassa (SI) di detto unico serbatoio (S) - prelevando detta prima massa di fluido (MI) da riscaldare in corrispondenza dei suoi livelli più bassi, - e reimmettendola in corrispondenza dei suoi livelli più alti. Riv.
7. 7 Apparato a pompa di calore (1) secondo qualsiasi rivendicazione dalla 3 in poi, caratterizzato dal fatto che - detti mezzi (101, 102) per cedere energia termica verso detta prima utenza di calore (Ul) comprendono un condotto di prelievo (101) di detta prima massa di fluido (MI) in corrispondenza dei livelli più alti ed un condotto di reimmissione (102) in corrispondenza dei livelli più bassi di detta prima massa di fluido (MI), - e la parte di detta prima massa di fluido (MI), soggetta direttamente a raffreddamento per effetto di detta pompa di calore (PC), è delimitata superiormente ed inferiormente dalle zone di innesto di detti condotti di prelievo e reimmissione (101, 102) in detta parte (SI) del serbatoio (S). Riv.
8. 8 Apparato a pompa di calore (1) secondo qualsiasi rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che una terza utenza (U3) può ricevere calore dalla detta seconda massa del fluido (M2). Riv.
9. 9 Apparato a pompa di calore (1) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto calore è ricevuto da detta terza utenza (U3) per il tramite di un ulteriore serbatoio (S3), in particolare un serbatoio di accumulo di acqua sanitaria, posto in contatto termico con detta seconda massa di fluido (M2). Riv.
10. 10 Apparato a pompa di calore (1) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto contatto termico si ottiene per il fatto che detto ulteriore serbatoio (S3) è immerso, almeno in parte, in detta porzione più alta (S2) di detto unico serbatoio (S). Riv.
11. 11 Apparato a pompa di calore (1) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detta pompa di calore (PC) trasferisce detta energia termica a detta seconda massa di fluido (M2) tramite un condensatore a serpentino - che è immerso in detta seconda massa di fluido (M2) - e ha spire che si sviluppano avvolte attorno a detto ulteriore serbatoio (S3). Riv.
12. 12 Apparato a pompa di calore (1) secondo qualsiasi rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che è prevista una ulteriore quarta utenza (U4) provvista di condotti di prelievo (401, 402, 403), di una valvola motorizzata a tre vie di prelievo (Vdl), di opportuni mezzi di comando elettromeccanici o elettronici e di un sensore del valore (tl.s) di detta prima temperatura (tl), tali da consentire a detta quarta utenza (U4) di attingere il detto fluido dalla sommità della detta parte inferiore (SI) se il detto valore (tl.s) di detta prima temperatura (tl) è sufficiente per detta quarta utenza (U4) e, altrimenti, dalla sommità della detta parte superiore (S2). Riv.
13. 13 Apparato a pompa di calore (1) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detta quarta utenza (U4) non utilizza direttamente il suddetto fluido ma ne assorbe energia termica reimmettendolo, poi, nel detto serbatoio (S) ad una temperatura di uscita (t.u). Riv.
14. 14 Apparato a pompa di calore (1) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detta quarta utenza (U4) è ulteriormente provvista di condotti di reimmissione (404, 405, 406), di una valvola motorizzata a tre vie di reimmissione (Vd2), di opportuni mezzi di comando elettromeccanici o elettronici, di un sensore del valore (t2.i) della detta seconda temperatura (t2) e di un sensore della detta temperatura di uscita (t.u) tali da consentire a detta quarta utenza (U4) di reimmettere il detto fluido in corrispondenza del fondo della detta parte inferiore (SI) se la detta temperatura di uscita (t.u) è inferiore al detto valore (t2.i) di detta seconda temperatura (t2), altrimenti in corrispondenza del fondo della detta parte superiore (S2). Riv.
15. 15 Apparato a pompa di calore (1) secondo qualsiasi rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che dette due parti inferiore e superiore (SI, S2) di detto serbatoio (S) sono separate da un setto di separazione (D) atto a permettere il passaggio del fluido ma a smorzare eventuali moti turbolenti. Riv.
16. 16 Apparato a pompa di calore (1) secondo qualsiasi rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che quando la detta prima temperatura (tl) è maggiore o uguale a detta seconda temperatura (t2) richiesta da dette seconda e/o terza e/o quarta utenza (U2; U3, U4), la pompa di calore (PC) viene disattivata.