ITBS20070103A1

ITBS20070103A1 - Sistema di accumulo termoidraulico a stratificazione

Info

Publication number: ITBS20070103A1
Application number: IT000103A
Authority: IT
Inventors: Gianfranco Bonomi
Original assignee: Effebi Spa
Priority date: 2007-07-23
Filing date: 2007-07-23
Publication date: 2009-01-24
Also published as: EP2176601A2; WO2009013781A2; WO2009013781A3

Description

D E S C R IZ IO N E

del BREVETTO per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo:

"SISTEMA DI ACCUMULO TERMOIDRAULICO A

STRATIFICAZIONE"

Campo dell'Invenzione

La presente invenzione attiene in generale al settore degli accumulatori di liquidi con un contenuto di energia termica, e riguarda in particolare un innovativo sistema di accumulo in un serbatoio di un liquido termovettore, tipicamente acqua, a strati sovrapposti dipendenti dalla temperatura di arrivo del liquido stesso.

Stato dell'Arte

Un liquido caldo, tipicamente acqua, proveniente da una qualsiasi sorgente di riscaldamento, sia solare, sia a combustibile, sia da apparecchiature raffreddate ad acqua, magari a diverse temperature, può essere accumulato a strati in un serbatoio per uno stoccaggio temporaneo di energia termica. L'accumulo si effettua in ciclo chiuso e l'energia termica stoccata è poi utilizzabile, attraverso un eventuale scambio termico, per diversi altri impieghi, quali la produzione di acqua calda sanitaria, di acqua calda per un riscaldamento locale a pavimento o mediante radiatori, ecc.

Al riguardo già sono stati proposti e utilizzati sistemi di accumulo termoidraulico nei quali l'acqua a diverse temperature è raccolta in strati sovrapposti a partire dal più freddo in basso fino al più caldo in alto, con la possibilità poi di prelevare dal sistema l'acqua più calda o quella a livello dello strato desiderato per l'utilizzo contemplato.

Un tale accumulo si basa sul principio fisico per cui il peso specifico dell'acqua varia al variare della temperatura, cosicché in una massa d'acqua quella più fredda sta in basso mentre quella più calda sale occupando gli strati superiori. Corrispondentemente la temperatura dell'acqua raccolta in un serbatoio varierà nel senso di aumentare dal fondo verso l'alto se, evidentemente, si avrà l'avvertenza di non causare un rimescolamento e, di conseguenza, una miscelazione dell'acqua dei vari strati.

I documenti DE 2 703 460, WO 80/01714, FR 2 565 333, EP 0 683 362, EP 1 010 961 descrivono dei sistemi di accumulo termoidraulico a stratificazione ben indicativi dello stato dell'arte e attualmente conosciuti.

Tuttavia in questi noti sistemi di accumulo, l'acqua è portata e raccolta nel serbatoio di stoccaggio attraverso una colonna, sostanzialmente cilindrica, eretta nel serbatoio stesso e alla quale si collegano a vari livelli sia i tubi di entrata sia i tubi di uscita dell'acqua con una rete di canalizzazioni e passaggi relativamente complicata e di difficoltosa e costosa realizzazione. Per di più, almeno in EP 0 683 362, per tranquillizzare afflussi e deflussi dell'acqua ed evitare correnti e/o vortici che potrebbero causare un rimescolamento dei vari strati d'acqua, la colonna è configurata per definite una camera interna ed una camera esterna concentriche, dove la prima camera comunica con la seconda attraverso una molteplicità di aperture, e la seconda camera comunica con l'interno del serbatoio attraverso un'altra pluralità di aperture radiali, con il risultato di una ancora maggiore complessità del sistema.

Scopo e Sommario dell'Invenzione

Partendo da tali premesse, scopo della presente invenzione è di proporre dei perfezionamenti di ordine costruttivo e funzionale ai sistemi di accumulo termoidraulico a stratificazione per ovviare agli svantaggi della tecnica nota e diretti a fornire un sistema di accumulo efficiente, di più semplice ed economica realizzazione, di eventuale comodo accesso per ogni manutenzione e che possa essere gestito più propriamente attraverso una centralina di controllo.

Un tale scopo è raggiunto, secondo l'invenzione, con un sistema di accumulo termoidraulico a circuito chiuso che comprende un serbatoio sostanzialmente cilindrico e a disposizione verticale, dei canali anulari disposti a vari livelli sulla superficie interna del serbatoio corrispondentemente agli strati d'acqua da accumulare e in relazione alle temperature dell'acqua di volta in volta disponibile, dei tubi di andata e ritorno dell'acqua nell'ambito del circuito collegati dall'esterno a detto serbatoio a livello di ognuno di detti canali anulari, dei mezzi valvolari autoregolati per gestire mandata e ritorno nel serbatoio, attraverso detti tubi e detti canali anulari, dell'acqua a diverse temperature per la sua stratificazione, e dei mezzi per programmare l'esercizio di detti mezzi valvolari in dipendenza della temperatura dell'acqua in circolazione.

I canali anulari possono essere almeno in numero pari agli strati d'acqua nel serbatoio e realizzati secondo almeno due diverse modalità con ampie aperture rivolte verso il centro del serbatoio. In ogni caso, la loro collocazione sulla parete cilindrica interna del serbatoio è tale da permettere alti volumi sia di afflusso che di deflusso d'acqua, a bassa velocità e quindi senza alcun moto vorticoso che potrebbe causare un rimescolamento degli strati d'acqua. Per di più, la loro realizzazione prima, nonché il loro fissaggio ed eventuale accesso poi all'interno del serbatoio sono assai semplici ed agevoli da effettuarsi senza influire sull'effettiva capienza del serbatoio.

Inoltre e vantaggiosamente, i dispositivi valvolari autoregolati possono essere costituiti da valvole a sfera multivie, per esempio del tipo descritto in altra domanda di brevetto della stessa richiedente, ed includere almeno una prima valvola alla quale sono collegabili i tubi di mandata dell'acqua ai vari livelli del serbatoio e almeno una seconda valvola alla quale sono collegabili i tubi di ritorno dell'acqua dai vari livelli del serbatoio. Peraltro, gli stessi tubi, collegati a una singola valvola multivia autoregolata, potrebbero anche essere utilizzati alternativamente in un senso per la mandata e in senso opposto per il ritorno di acqua dal serbatoio.

Breve Descrizione dei Disegni

Ulteriori dettagli dell invenzione risulteranno evidenti dal prosieguo della descrizione fatta con riferimento agli allegati disegni, puramente indicativi e non limitativi, nei quali:

la Fig. 1 mostra una vista schematica del sistema con serbatoio di accumulo visto in trasparenza;

la Fig. 2 mostra una vista ingrandita di un dettaglio del serbatoio di accumulo per evidenziare due tipi di canali anulari interni.

Descrizione Dettagliata dell'Invenzione

Nell'esempio rappresentato, il sistema in esame comprende un contenitore o serbatoio 11 per un accumulo a strati 11' di acqua calda a diverse temperature, che può essere prodotta o provenire, tramite almeno una pompa 12 o con sistemi a circolazione naturale, da diverse sorgenti di riscaldamento funzionanti a temperatura variabile, quali un pannello solare 13, una caldaia 14 e anche un'apparecchiatura con un raffreddamento ad acqua.

Il serbatoio di accumulo 11, che sarà coibentato verso l'esterno o in un materiale termoisolante, è sostanzialmente cilindrico e disposto verticalmente. Superiormente, esso può essere aperto per un suo esercizio a pressione atmosferica oppure chiuso per un suo esercizio in pressione, secondo necessità.

All' interno del serbatoio di accumulo 11 sono riportati dei canali anulari 15 ordinati a vari livelli, in numero almeno pari agli strati d'acqua 11' a diversa temperatura da definire nel serbatoio, gli strati d'acqua potendo essere tre o più a seconda della capienza ed altezza del serbatoio e in dipendenza delle temperature delle sorgenti d'acqua calda disponibili. Tali canali anulari 15 sono fissati, per esempio mediante saldatura, alla superficie cilindrica interna del serbatoio, e ognuno di essi può essere realizzato partendo da un elemento tubolare 16, di sezione tonda o non tonda, piegato in forma circolare e munito di fessure o aperture laterali 17, le più ampie possibile, rivolte verso il centro del serbatoio -Fig. 2.

Ma più preferibilmente, ogni canale anulare 15 sarà formato partendo da due elementi circolari in lamiera 18 aventi ognuno una prima ala 19 che si fissa alla superficie interna del serbatoio e una seconda ala 20, angolata rispetto alla prima e che si estende verso l'interno del serbatoio. I due elementi di partenza sono opposti e associati in modo che delimitino tra loro un condotto anulare continuo e che le loro seconde ah 20 convergano per definire una fessura o apertura 21 tale da mettere in comunicazione detto condotto con l'interno del serbatoio- Fig. 2. Detta fessura 21 potrà essere senza soluzione di continuità, ma interrotta, per esempio, in corrispondenza alle parti di entrata e uscita del liquido nel serbatoio.

Al serbatoio 11, a livello dei canali anulari interni 15 sono fissati dei primi tubi 22 per la mandata nel serbatoio dell'acqua a diverse temperature e degli eventuali secondi tubi 23 di ritorno dell'acqua dal serbatoio.

Ogni tubo 22, 23 è in comunicazione con un rispettivo canale anulare e i flussi d'acqua verso e dal serbatoio sono controllati mediante unità valvolari. Preferibilmente e come mostrato in Fig. 1, ogni unità valvolare può essere costituita da una valvole a sfera autoregolata a più vie ed utilizzabili bidirezionalmente. Allora, i tubi di mandata 22 possono far capo, direttamente o tramite un collettore, ad altrettante uscite 25 di una prima valvola a sfera multivie 24 avente un'entrata 26 collegata a una qualsiasi sorgente d'acqua calda 13, 14 del tipo succitato. Parimenti, i tubi di ritorno 23 sono collegati, anch'essi direttamente o mediante un collettore, ad altrettante entrate di un'altra valvola a sfera multivie avente a sua volta un'uscita collegata alla stessa sorgente d'acqua calda, a chiusura del circuito idraulico.

Ognuna di dette valvole a sfera possono essere comandate a mezzo di un servomotore predisposto e gestito secondo un criterio prefissato per causare una rotazione del rispettivo otturatore a sfera e mettere in comunicazione di volta in volta e selettivamente, nella prima valvola la via di entrata 26 con almeno una via di uscita 25 dell'acqua verso il serbatoio e, nella seconda valvola una o l'altra delle vie di entrata con la via di uscita dell'acqua verso la sorgente 13 o 14, in risposta a un segnale fornito dall'esterno. Questo segnale può essere un segnale di temperatura rilevato con almeno un'apposita sonda a monte e/o a valle di ogni valvola o quanto meno della valvola connessa ai tubi di mandata.

Da notare comunque, come peraltro già è stato accennato più sopra, che la circolazione dell'acqua dalla sorgente di riscaldamento al e dal serbatoio di accumulo potrà essere realizzata con una sola serie di tubi collegati a ogni singolo canale anulare all'interno del serbatoio e facenti capo a una singola valvola multivie. Allora i tubi saranno usati in una direzione per la mandata di acqua al serbatoio e in direzione opposta per il ritorno dell'acqua dal serbatoio, e la valvola sarà comandata corrispondentemente.

Al serbatoio, infine, sarà collegato un circuito 30 con una pompa 31 di prelievo dell'acqua dal serbatoio di accumulo 11 al livello dello strato superiore o a qualsiasi altro livello e con l'ausilio di una valvola a più vie 32 pure del tipo succitato per un utilizzo del contenuto termico dell'acqua nel riscaldamento, attraverso un eventuale scambiatore termico 33 ed un eventuale serbatoio ausiliario 34, di un altro liquido, tipicamente acqua, da utilizzarsi come acqua sanitaria o come fluido termovettore in impianti di riscaldamento locale

Claims

R IV E N D IC A Z I O N I 1. Sistema di accumulo a stratificazione in circuito chiuso di un liquido, tipicamente acqua, a temperature diverse proveniente da una o più sorgenti di riscaldamento solare o a combustibile o da impianti di raffreddamento ad acqua, caratterizzato da - un serbatoio sostanzialmente cilindrico e a disposizione verticale, - canali anulari disposti a vari livelli sulla superficie interna del serbatoio corrispondentemente agli strati d'acqua da accumularvi, - tubi di andata e ritorno dell'acqua nell'ambito del circuito chiuso collegati dall'esterno a detto serbatoio e in comunicazione con ognuno di detti canali anulari, - almeno un'unità valvolare autoregolata per gestire attraverso detti tubi e detti canali anulari mandata e ritorno di acqua a diverse temperature per la sua stratificazione nel serbatoio, - mezzi per gestire l'esercizio di almeno detta unità valvolare in dipendenza almeno della temperatura dell'acqua di volta in volta in circolazione.
2. Sistema di accumulo secondo la rivendicazione 1, in cui detto serbatoio è isolato termicamente verso l'esterno ed aperto alla sua sommità.
3. Sistema di accumulo secondo la rivendicazione 1, in cui detto serbatoio è isolato termicamente verso l'esterno e chiuso per un suo esercizio in pressione.
4. Sistema di accumulo secondo la rivendicazione 1 e 2 o 3, in cui ogni canale anulare è costituito da un elemento tubolare piegato in forma circolare e munito di fessure o aperture laterali rivolte verso il centro del serbatoio.
5. Sistema di accumulo secondo le rivendicazioni 1 e 2 o 3, in cui ogni canale anulare è costituito da due elementi circolari aventi ognuno una prima ala che si fissa alla superficie interna del serbatoio e una seconda ala, angolata rispetto alla prima ed estendentesi verso Γ interno del serbatoio, ed in cui detti due elementi sono opposti e associati per delimitare tra loro una condotto anulare continuo e per definire con le loro seconde ali una fessura o apertura tale da mettere in comunicazione detto condotto con l'interno del serbatoio.
6. Sistema di accumulo secondo la rivendicazione 1, in cui detta fessura tra detti due elementi circolari opposti è senza soluzione di continuità oppure interrotta in talune sue parti.
7. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui al serbatoio, a livello dei canali anulari interni, sono fissati dei primi tubi per una mandata nel serbatoio di acqua a diverse temperature e dei secondi tubi per un ritorno dell'acqua dal serbatoio, dove ogni tubo è in comunicazione con un rispettivo canale anulare e i flussi d'acqua verso e dal serbatoio sono controllati mediante almeno un'unità valvolare.
8. Sistema di accumulo secondo la rivendicazione 7, in cui ogni unità valvolare è costituita da una valvola a sfera autoregolata a più vie ed utilizzabile bidirezionalmente e dove i tubi di mandata fanno capo, direttamente o tramite un collettore, ad altrettante uscite di una prima valvola a sfera multivie avente un'entrata collegata alla sorgente d'acqua calda, e i tubi di ritorno sono collegati, direttamente o mediante un collettore, ad altrettante entrate di una seconda valvola a sfera multivie avente a sua volta un'uscita collegata alla sorgente d'acqua calda.
9. Sistema di accumulo secondo la rivendicazione 7, in cui ogni valvola a sfera multivie è comandata a mezzo di un servomotore predisposto e gestite secondo programmi prefissati e in base a un segnale indicativo di una grandezza fisica attinente all'acqua in circolazione.
10. Sistema di accumulo secondo la rivendicazione 9, in cui ogni valvola a sfera multivie è azionata in base a un segnale di temperatura rilevato con almeno un'apposita sonda a monte e/o a valle di ogni valvola o quanto meno della valvola connessa ai tubi di mandata.
11. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, in cui al serbatoio, a livello dei canali anulari interni, sono fissati dei tubi sia per una mandata sia per un ritorno dell'acqua a diverse temperature nel serbatoio stesso, e dove detti tubi sono in comunicazione con almeno una sorgente d'acqua calda attraverso almeno una valvola a sfera autoregolata a più vie ed utilizzabile bidirezionalmente.