ITAN20120049A1 - Sistema per generazione di energia elettrica e relativo metodo. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“SISTEMA PER GENERAZIONE DI ENERGIA ELETTRICA E RELATIVO METODO†.

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente domanda di brevetto per invenzione industriale ha per oggetto un sistema per la generazione di energia o per il recupero della stessa, in ambiente domestico ed industriale, ed un relativo metodo.

Negli ultimi anni, complice la ridotta disponibilità di petrolio e l'aumento del suo costo, oltre che la situazione di inquinamento globale in netta crescita, si à ̈ fatta sentire sempre con maggiore forza la necessità di recuperare energia che altrimenti andrebbe persa.

Tale necessità si estrinseca non solo nel ridurre gli sprechi diretti (quindi aumentando, ad esempio, le coibentazioni) o nel cercare di produrre energia da fonti rinnovabili (ad esempio sole o vento), ma anche nel cercare di ridurre gli sprechi indiretti che avvengono, ad esempio, quando un fluido caldo viene avviato ad uno scarico, perdendo così la quota parte di energia consistente nel suo calore residuo.

Questa necessità si dimostra ben presente anche e soprattutto in ambiente domestico, dove gli sprechi sono relativamente elevati e, percentualmente, molto importanti.

Allo stato dell'arte sono noti una pluralità di sistemi per il recupero di energia di tipo industriale, comprendenti svariate soluzioni tecniche e basati su diversi principi di funzionamento.

Questi sistemi industriali non si prestano però ad essere installati in una unità abitativa, intendendo con tale termine riferirsi sia ad un appartamento, che ad una casa, che ad un complesso di abitazioni come un condominio o simili.

Il motivo à ̈ che tali sistemi industriali sono ingombranti, necessitano di macchinari piuttosto grandi e complessi e di un personale specificamente addestrato per garantirne il funzionamento.

Inoltre, vista la relativamente bassa quantità di energia da recuperare in ambiente domestico, le soluzioni industriali non si dimostrano adatte non solo da un punto di vista economico, ma anche e soprattutto dal punto di vista tecnologico, perché le piccole grandezze in gioco in un ambiente domestico li rendono non adatti né adattabili.

Conseguenza di questa situazione à ̈ che spesso in ambiente domestico manca un sistema per le generazione di energia che sia di dimensioni contenute, semplice da utilizzare, da mantenere e che possa recuperare energia, in particolare dal calore residuo dei flussi di fluido circolanti.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di mettere a disposizione un sistema per la generazione di energia o per il recupero della stessa e relativo metodo.

Oggetti dell'invenzione sono un sistema per la generazione/recupero di energia secondo la rivendicazione 1 allegata ed un metodo di recupero di energia secondo la rivendicazione 11 allegata; ulteriori caratteristiche vantaggiose sono oggetto delle allegate rivendicazioni dipendenti, che si intendono parte integrante della presente descrizione.

Il sistema secondo l’invenzione trova applicazione in tutti quei casi in cui si hanno a disposizione due sorgenti di calore a diversa temperatura.

Il sistema secondo il trovato trova applicazione tutte le volte che si hanno a disposizione sorgenti di temperatura che presentano anche soli 10°C di differenza.

Per maggior chiarezza esplicativa la descrizione dell'invenzione prosegue con riferimento alle tavole di disegno allegate, aventi solo valore illustrativo e non certo limitativo, dove:

la fig. 1 Ã ̈ una prima forma esecutiva di un sistema di generazione/recupero di energia secondo l'invenzione;

la fig. 2 Ã ̈ una seconda forma esecutiva di un sistema di generazione/recupero di energia secondo l'invenzione;

la fig. 3 Ã ̈ una terza forma esecutiva di un sistema di generazione/recupero di energia secondo l'invenzione;

la fig. 4 Ã ̈ una quarta forma esecutiva di un sistema di generazione/recupero di energia secondo l'invenzione.

Con riferimento alla figura 1 verrà dapprima descritta una forma preferita del sistema (1) per il recupero di energia di fluidi secondo la presente invenzione.

In questa prima forma esecutiva il sistema (1) comprende un primo (2) ed un secondo serbatoio (3) contenenti fluidi di processo, come ad esempio anidride carbonica CO2allo stato iniziale di vapore, in collegamento di fluido tra loro mediante un condotto intercettato da una prima valvola di intercettazione (4).

L'apertura della valvola (4) mette quindi in comunicazione i due serbatoi (2,3) per permettere uno scambio del gas in essi contenuto, al fine di ottenere le stesse caratteristiche dei fluido in termini di pressione e temperatura.

Preferibilmente i serbatoi (2,3) contengono il fluido di processo e sono in grado di resistere alle pressioni a cui il fluido di trova ad operare; detto fluido può essere preferibilmente CO2o comunque qualunque altro fluido.

Vantaggiosamente, onde evitare perdite termiche del sistema (1), i serbatoi (2,3) possono essere isolati dall’ambiente esterno mediante materiale a bassa conduttività; a seconda delle esigenze detti serbatoi possono essere isolati insieme o singolarmente.

Il sistema (1) comprende poi una turbina (5) che permette di convertire il salto di pressione in lavoro meccanico e che à ̈ operativamente collegata ad un generatore (6), il quale trasforma il lavoro meccanico in energia elettrica; con il termine “operativamente collegata†si intende indicare che le due parti sono montate in modo tale per cui la turbina (5) aziona il generatore (6) per produrre energia elettrica.

Tale montaggio ed eventuali componenti funzionali addizionali necessari sono ben noti allo stato dell'arte e non ci si sofferma quindi oltre.

Il sistema (1) comprende poi una seconda valvola di intercettazione (7) che intercetta un condotto che collega il primo serbatoio (2) con la turbina (5); l'apertura della valvola (7) mette quindi in comunicazione il primo serbatoio (2) con la turbina (5) per alimentare quest'ultima con il vapore del fluido di processo ad alta pressione, contenuto nel serbatoio (2) stesso, così da azionare la turbina (5) e quindi, grazie al generatore (6), produrre energia elettrica.

A tal fine il sistema (1) comprende poi un riscaldatore (8) che premette di aumentare la temperatura e conseguentemente la pressione del fluido contenuto in detto primo serbatoio (2) ed un raffreddatore (9) che premette di diminuire la temperatura e conseguentemente la pressione del fluido contenuto in detto secondo serbatoio (3).

In questa prima forma esecutiva il riscaldatore (8) Ã ̈ uno scambiatore di calore (8), preferibilmente di tipo gas/liquido alloggiato nel primo serbatoio (2): lo scambiatore (8), nell'esempio, Ã ̈ in forma di una semplice serpentina connessa ad una fonte di fluido operativo caldo, come ad esempio lo scarico di acqua di una utenza domestica nel caso di debba recuperare energia.

Quando il fluido operativo passa nella serpentina (8) trasmette calore al fluido di processo contenuto nel serbatoio (2), innalzandone la temperatura e quindi la pressione rispetto allo stato iniziale.

In questa prima forma esecutiva il raffreddatore (9) à ̈ uno scambiatore di calore (9), preferibilmente di tipo gas/liquido, alloggiato nel secondo serbatoio (3): lo scambiatore (9), nell'esempio, à ̈ anch'esso in forma di una semplice serpentina connessa ad una fonte di fluido operativo freddo, perché ad una temperatura inferiore di quella del fluido caldo; detto fluido freddo può essere l’acqua di uno scarico di una utenza domestica nel caso di debba recuperare energia.

Quando il fluido operativo passa nella serpentina (9) sottrae calore al fluido di processo contenuto nel serbatoio (3), riducendone la temperatura e quindi la pressione rispetto allo stato iniziale.

Nel sistema (1) sono poi previsti opzionalmente ulteriori scambiatori di calore (SCa, Scb, SCc) per ottimizzare il rendimento del sistema (1) stesso, nel suo complesso; sulla disposizione e funzionalità di tali ulteriori scambiatori di calore (SCa, SCb, SCc) si tornerà brevemente nel dettaglio in seguito.

Il metodo di funzionamento del sistema (1) prevede le seguenti fasi consecutive :

a- FASE INIZIALE: condizione aperta di detta prima valvola di intercettazione (4) e chiusa di detta seconda valvola di intercettazione (7): ne consegue che uno stesso fluido di processo contenuto in detti serbatoi (2,3) Ã ̈ portato alle stesse condizioni di temperatura e pressione;

b- chiusura di detta prima valvola di intercettazione (4) c- azionamento di detto riscaldatore (8) per riscaldare il gas contenuto in detto primo serbatoio (2) con un conseguente aumento di pressione nel detto primo serbatoio (2); azionamento contestuale di detto raffreddatore (9) per raffreddare il gas contenuto in detto secondo serbatoio (3) con una conseguente diminuzione di pressione nel detto secondo serbatoio (3);

d- apertura di detta seconda valvola di intercettazione (7) con un conseguente spostamento del gas da detto primo (2) a detto secondo (3) serbatoio attraverso la turbina (5);

e- attivazione della produzione di energia elettrica mediante detta turbina (5) e detto generatore (6) in corrispondenza di una differenza di pressione esistente tra detto primo (2) e detto secondo (3) serbatoio;

f- termine della produzione di energia elettrica non appena la pressione all’interno di detto primo (2) e la pressione all’interno di detto secondo (3) raggiungono il medesimo valore;

g- chiusura di detta seconda valvola di intercettazione (7);

h- disattivazione di detto riscaldatore (8) e detto raffreddatore (9);

i- apertura di detta prima valvola di intercettazione (4) con un conseguente mescolamento del gas contenuto nel primo (2) e nel secondo (3) serbatoio per equilibrare la densità ed al fine di rendere i fluidi all’interno dei due serbatoi (2,3) con le stesse caratteristiche termodinamiche.

Si sottolinea l’importanza dell’uniformità delle temperature e delle pressioni del fluido nel serbatoio (2) e nel serbatoio (3) poiché e importante che il salto entalpico generato da ogni ciclo resti invariato nel tempo.

Se al termine di ogni ciclo non si ritorna alle condizioni di temperature T1 e T2 e di pressioni P1 e P2 uguali al punto di partenza, nel perpetuarsi dei cicli il salto entalpico tende a ridursi sempre più fino ad annullarsi.

Opzionalmente il metodo appena descritto riparte poi dalla fase a- o FASE INIZIALE e prosegue, eventualmente, per un numero qualunque di volte.

Per rendere la generazione di energia elettrica più uniforme nel tempo à ̈ possibile combinare più sistemi (1) con funzionamento alternato o sfalzato.

Si noti l'utilità della fase i- appena descritta, che permette di riequilibrare le densità del gas circolante nel sistema (1) per permettere una sua ripetizione in condizioni ottimali.

La differenza di densità che si viene a creare tra il fluido di processo contenuto nel serbatoio (2) e nel serbatoio (3) permette al fluido con maggior densità, contenuto nel serbatoio (3), si scendere nel serbatoio (2) e al fluido contenuto nel serbatoio (2), di densità minore, di salire nel serbatoio (3); tutto questo permette di omogeneizzare il fluido così da avere le stesse caratteristiche tra i due serbatoio (2,3) come nello stato iniziale.

Per velocizzare la ri-equilibratura della densità del gas nei due serbatoi (2,3), opzionalmente il metodo comprende inoltre la fase j- consecutiva alla fase i- di raffreddare il gas contenuto i detto serbatoio (2).

In questo modo si conseguono gli scopi sopra menzionati, nel senso che installando il sistema (1) appena descritto in un ambiente domestico à ̈ possibile collegare il riscaldatore (8) ed il raffreddatore (9) a fonti di fluido operativo caldo e freddo, quali utenze domestiche come lavatrice, lavastoviglie, scarichi dei servizi igienici o altro ancora e riutilizzare la quota parte di energia immagazzinata in tali fluidi operativi sotto forma di calore residuo prima che essi vengano inviati ad uno scarico.

Ritornando agli ulteriori scambiatori di calore (SCa, Scb, SCc), essi ottimizzano, in breve il sistema (1) ed il relativo funzionamento.

Lo scambiatore di calore addizionale di raffreddamento (SCa) à ̈ alloggiato internamente al primo serbatoio (2) e collegato agli stessi condotti di mandata e ritorno (9a,9b) che portano il fluido operativo freddo al raffreddatore di gas (9) e lo inviano ad uno scarico (9b): in tal modo durante la fase isopra descritta si può attivare lo scambiatore (SCa) per accelerare la ri-equilibrazione della densità del gas, come sopra accennato nel merito del passo addizionale -j, facoltativo.

Lo scambiatore addizionale (SCb) mette in contatto di scambio termico il gas uscente dalla turbina (5) con il fluido operativo della mandata (8a) diretto al riscaldatore (8), in modo da riscaldare il fluido operativo per migliorare il rendimento complessivo.

Infine, lo scambiatore addizionale (SCc) mette in contatto di scambio termico il fluido operativo caldo diretto allo scarico (8b) con quello freddo della mandata (9a), in modo che il fluido freddo di mandata (9a) sia nelle condizioni di temperatura ottimali per eseguire le fasi del ciclo senza spendere ulteriore energia.

Una volta compreso il principio di funzionamento e lo schema costruttivo della forma esecutiva appena descritta, risulta agevole comprendere anche le altre forme esecutive mostrate nelle figure 2-4 che verranno descritte brevemente qui appresso in funzione delle loro differenze dal sistema (1) stesso.

In queste figure 2-4 con gli stessi numeri segui rispettivamente da uno “0†, da un “00†o da un “000†sono indicate le stesse parti del sistema (1) con la stessa funzionalità, sulle quali pertanto non ci si sofferma oltre.

Lo schema generale della seconda (10), terza (100) e quarta (1000) forma esecutiva à ̈ lo stesso del sistema (1), con la variante generale che in tali forme esecutive almeno uno tra il riscaldatore ed il raffreddatore di gas sono scambiatori di tipo gas/gas, preferibilmente fasci tubieri.

Con riferimento alla variante della figura 2, il sistema (10) comprende il riscaldatore (80) analogo a quello descritto in occasione della fig.1; il raffreddatore (90) à ̈ in questo caso un fascio tubiero che attraversa il serbatoio (3) ed à ̈ alimentato mediante una ventola o un sistema che permette la circolazione di un fluido operativo allo stato gassoso, come ad esempio l’aria dell’ambiente esterno.

Lo scambiatore di raffreddamento (SCa0) in questo esempio à ̈ anch'esso in forma di fascio tubiero ed attraversa il serbatoio (2) per raffreddare il gas onde velocizzare la ri equilibrazione della densità.

Il funzionamento à ̈ analogo a quello prima descritto e quindi non ci sofferma oltre.

Per quanto attiene alla terza forma esecutiva (100) di fig.

3, in questo caso il sistema (100) comprende il raffreddatore (900) à ̈ analogo a quello descritto in occasione della fig.1; il riscaldatore (800) à ̈ in questo caso uno scambiatore gas/gas, nella fattispecie un fascio tubiero, che attraversa il serbatoio (200) ed à ̈ alimentato mediante una ventola o un sistema che permette la circolazione di un fluido operativo allo stato gassoso, come ad esempio aria, ad una temperatura superiore di quella utilizzata nello scambiatore (900).

Lo scambiatore di raffreddamento (SCa00) in questo esempio à ̈ analogo a quello sopra descritto in occasione del sistema (1).

Anche in questo caso il funzionamento à ̈ analogo a quello prima descritto e quindi non ci sofferma oltre.

Per quanto attiene alla quarta forma esecutiva (1000) di fig. 4, in questo caso il sistema (1000) comprende sia un raffreddatore (9000) che un riscaldatore (8000) del tipo gas/gas ad esempio a fascio tubiero, come quelli descritti per i sistemi (10) e (100).

Anche in questo caso il funzionamento à ̈ analogo a quello prima descritto e quindi non ci sofferma oltre.

Sono ovviamente possibili numerose modifiche a quanto sino ad ora descritto.

Una prima modifica prevede che i riscaldatori e/o i raffreddatori siano esterni ai serbatoi, anche solo in parte, e comunque in grado di riscaldare/raffreddare il gas ivi contenuto.

Ad esempio tale variante à ̈ applicabile ai casi delle fig.

2-4 dove si può pensare di utilizzare direttamente l'aria come gas da convogliare nel relativo serbatoio: in questo caso i riscaldatori/raffreddatori sono esterni al relativo serbatoio, ma ancora parte del sistema visto nel suo complesso.

Un'altra variante prevede che i riscaldatori e/o i raffreddatori siano in forme o numero diversi da quelli qui descritti.

Un’altra variante prevede l’utilizzo di più sistemi (1) collegati tra loro per generare una maggionre quantità di energia e/o per rendere la generazione di energia uniforme.

Sono così conseguiti gli scopi della presente invenzione.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema (1,10,100,1000) per la generazione di energia elettrica caratterizzato dal fatto di comprendere: − un primo serbatoio (2,20,200,2000) per un fluido allo stato gassoso; − un secondo serbatoio (3,30,300,3000) per un fluido allo stato gassoso e/o liquido; − una prima valvola di intercettazione (4,40,400,4000); − una turbina (5,50,500,5000); − un generatore (6,60,600,6000); − una seconda valvola di intercettazione (7,70,700,7000); in cui: - detto primo serbatoio (2,20,200,2000) e detto secondo serbatoio (3,30,300,3000) sono in comunicazione di fluido mediante almeno un condotto intercettato da detta prima valvola di intercettazione (4,40,400,4000); - detto primo serbatoio (2,20,200,2000) à ̈ in comunicazione di fluido con detta turbina (5,50,500,5000) mediante almeno un condotto intercettato da detta seconda valvola di intercettazione (7,70,700,7000); - detta turbina (5,50,500,5000) à ̈ operativamente connessa a detto generatore (6,60,600,6000); - detto sistema (1,10,100,1000) à ̈ provvisto di un riscaldatore (8,80,800,8000) per il fluido contenuto in detto primo serbatoio (2,20,200,2000) e di un raffreddatore (9,90,900,9000) per il fluido contenuto in detto secondo serbatoio (3,30,300,3000).
2. 2. Sistema (1,10,100,1000) secondo la rivendicazione 1, in cui detto riscaldatore à ̈ uno scambiatore di calore (8,80,800,8000) alloggiato in detto primo serbatoio (2,20,200,2000).
3. 3. Sistema (1,10,100,1000) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto raffreddatore à ̈ uno scambiatore di calore (9,90,900,9000) alloggiato in detto secondo serbatoio (3,30,300,3000).
4. 4. Sistema (1,10,100) secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui almeno uno scambiatore di calore (8,80,9,900) Ã ̈ uno scambiatore gas/liquido, preferibilmente una serpentina.
5. 5. Sistema (1000) secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui tutti gli scambiatori di calore (8000,9000) sono scambiatori gas/gas, preferibilmente di tipo a fascio tubiero.
6. 6. Sistema (1,10,100) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre uno scambiatore di calore addizionale di raffreddamento (Sca,SCa0,SCa00) alloggiato internamente al detto primo serbatoio (2,20,200).
7. 7. Sistema (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un secondo scambiatore addizionale (SCb) atto a mettere in contatto di scambio termico un gas uscente dalla detta turbina (5) con un fluido operativo diretto al riscaldatore (8).
8. 8. Sistema (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detti serbatoi (2,20,200,2000,3,30,300,3000) sono isolati con materiale a basa conduttività.
9. 9. Metodo per la generazione di energia elettrica in un sistema (1,10,100,1000) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, comprendente le fasi di: a- FASE INIZIALE: condizione aperta di detta prima valvola di intercettazione (4,40,400,4000) e chiusa di detta seconda valvola di intercettazione (7,70,700,7000): ne consegue che uno stesso fluido di processo contenuto in detti serbatoi (2,20,200,2000,3,30,300,3000) à ̈ portato alle stesse condizioni di temperatura e pressione; b- chiusura di detta prima valvola di intercettazione (4,40,400,4000) c- azionamento di detto riscaldatore (8,80,800,8000) per riscaldare il fluido di processo contenuto nel detto primo serbatoio (2,20,200,2000) con un conseguente aumento di pressione nel detto primo serbatoio (2,20,200,2000); azionamento contestuale di detto raffreddatore (9,90,900,9000) per raffreddare il fluido di processo contenuto nel detto secondo serbatoio (3,30,300,3000) con una conseguente diminuzione di pressione nel detto secondo serbatoio (3,30,300,3000) ; d- apertura di detta seconda valvola di intercettazione (7,70,700,7000) con un conseguente spostamento del fluido di processo da detto primo (2,20,200,2000) a detto secondo (3,30,300,3000) serbatoio attraverso la turbina (5,50,500,5000); e- attivazione della produzione di energia elettrica mediante detta turbina (5,50,500,5000) e detto generatore (6,60,600,6000) in corrispondenza di una differenza di pressione esistente tra detto primo (2,20,200,2000) e detto secondo (3,30,300,3000) serbatoio; f- termine della produzione di energia elettrica non appena la pressione all’interno di detto primo (2) e la pressione all’interno di detto secondo (3) raggiungono il medesimo valore; g- chiusura della detta seconda valvola di intercettazione (7,70,700,7000); h- disattivazione di detto riscaldatore (8,80,800,8000) e detto raffreddatore (9,90,900,9000); i- apertura della detta prima valvola di intercettazione (4,40,400,4000) con un conseguente mescolamento del fluido di processo contenuto in detto primo (2,20,200,2000) e in detto secondo (3,30,300,3000) serbatoio per equilibrare la densità ed al fine di rendere i fluidi all’interno dei due serbatoi (2,3) con le stesse caratteristiche termodinamiche
10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 9, comprendente la ripetizione delle fasi a-i.
11. 11. Metodo secondo la rivendicazione 9 o 10 comprendente inoltre una fase j-, consecutiva alla fase i-, che prevede di raffreddare il fluido di processo contenuto in detto primo serbatoio (2,20,200,2000) per velocizzare la riequilibratura della densità del gas nei due serbatoi.