ITBS20090003U1 - Refrigeratore d'acqua per installazione interna. - Google Patents

Description

REFRIGERATORE D’ACQUA PER INSTALLAZIONE INTERNA

DESCRIZIONE

Forma oggetto della presente invenzione un refrigeratore d’acqua di elevata efficienza energetica da installare in modo semplice all’interno degli ambienti.

I refrigeratori d’acqua di tipo noto vengono utilizzati sia per impianti di climatizzazione che per le più svariate applicazioni ove occorre un trattamento termico, mediante l’utilizzo di acqua refrigera come fluido di trasporto del calore (ad esempio processi industriali, laboratori, apparecchi elettromedicali, raffreddamento di strumentazioni, industria alimentare, ecc..).

Nel settore della climatizzazione dell’aria, i refrigeratori si distinguono principalmente per la potenza frigorifera erogata e per il sistema adottato ai fini di sottrarre calore alla parte condensante. Più precisamente i fluidi comunemente adottati per l’asportazione del calore trasferito dal ciclo frigorifero sono aria ed acqua.

I refrigeratori condensati ad aria hanno la caratteristica di non richiedere nessun consumo di acqua per il loro funzionamento, visto che il calore di condensazione viene trasferito per intero all’aria.

I volumi d’aria trattati sono comunque considerevoli e comportano, generalmente, un’installazione di queste macchine all’esterno. I rari casi di inserimento all’interno, implicano importanti opere strutturali e di canalizzazione dei flussi d’aria.

I refrigeratori condensati ad acqua sono invece collocati comunemente all’interno degli ambienti, visto che non richiedono nessun flusso di aria esterna per il loro funzionamento. Il grosso limite di queste macchine è quello relativo al notevole consumo d’acqua che ne limita fortemente le possibilità di utilizzo.

Il principio di base di funzionamento della grande maggioranza dei refrigeratori è quello del ciclo frigorifero per compressione dei vapori saturi, che prevede essenzialmente l’utilizzo di un compressore, di un condensatore, di un evaporatore e di un organo di laminazione.

I refrigeratori d’acqua basati sul principio dell’assorbimento di vapore d’acqua a bassa pressione, da parte di una soluzione concentrata (ammoniaca-acqua o bromuro di litio-acqua), costituiscono una piccola nicchia del mercato complessivo.

Il compressore frigorifero utilizzato in un refrigeratore può essere di varie tipologie. Sono noti ad esempio:

- Compressori di tipo ermetico alternativo, dove un motore elettrico muove un sistema di compressione di tipo a pistone e cilindro (riconducibile al principio delle pompe a stantuffo). Questa tipologia viene utilizzata in refrigeratori medio grandi.

- Compressori di tipo rotativo dove un motore elettrico muove un organo pompa, costituito da un pistone eccentrico rispetto ad un cilindro. Il lato tra alta e bassa pressione è separato da un setto metallico che scorre in un incavo. Questo tipo di compressore viene utilizzato prevalentemente nei refrigeratori di piccole dimensioni.

- Compressori di tipo denominato “scroll”. Anche in questo caso il movimento meccanico è generato da un motore elettrico. La compressione del fluido frigorifero avviene grazie al movimento di due spirali concentriche che spingono il fluido dalla parte periferica al centro dalla spirale. Questi componenti vengono utilizzati nei refrigeratori di media potenza

- Compressori a vite singola o doppia: sono caratterizzati da un’elevata silenziosità di funzionamento e da un ottimo rendimento termodinamico, vengono utilizzati in medi e grandi refrigeratori.

- Compressori di tipo centrifugo che funzionano con un principio simile a quello delle turbine, sono utilizzati solo per grandi refrigeratori.

Gli scambiatori di calore utilizzati per il trasferimento del flusso termico tra refrigerante (in genere HFC e più raramente ammoniaca, idrocarburi o CO2) e acqua o miscela di acqua e glicole, sono essenzialmente del tipo a fascio tubero o a piastre saldo-brasate. I primi hanno una maggiore affidabilità funzionale, soprattutto in presenza di sostanze inquinanti o imbrattanti nel circuito idraulico o nell’acqua trattata. I secondi hanno migliori prestazioni, in proporzione alla loro dimensione.

Le batterie di scambio termico utilizzate per il trasferimento del calore tra refrigerante ed aria sono costituite da tubazioni in rame rivestite da alette in alluminio per aumentare la superficie di trasmissione del calore stesso.

I ventilatori necessari al trasporto delle sufficienti portate massicce di aria per la sottrazione (ciclo di raffreddamento) o cessione (ciclo di riscaldamento) del calore sono essenzialmente di due tipi:

- Ventilatori assiali: dove il flusso dell’aria attraversa assialmente la girante che ha forma di un’elica con profili diversi a seconda delle caratteristiche di portata e prevalenza, proprie del gruppo motoventilante. Questi apparecchi vengono utilizzati prevalentemente nei refrigeratori da collocare all’esterno.

- Ventilatori di tipo centrifugo; queste macchine aerauliche prevedono l’aspirazione dell’aria attraverso un boccaglio sagomato disposto al centro della ventola. Il trasporto dell’aria verso l’esterno della girante viene determinato dalla forza centrifuga generata dalla rotazione della stessa ventola. Grazie all’utilizzo di un’apposita coclea, in grado di aumentarne la componente dinamica, il flusso dell’aria viene spinto verso la bocca di espulsione. I ventilatori centrifughi sono generalmente usati per i refrigeratori collocati all’interno degli edifici. Infatti, vista la prevalenza statica e dinamica che questi gruppi ventilanti posseggono, è possibile realizzare delle canalizzazioni per convogliare l’aria all’esterno.

La difficoltà di diffusione, soprattutto nell’utilizzo residenziale, che hanno incontrato i comuni impianti di climatizzazione che utilizzano i refrigeratori d’acqua che utilizzano aria quale fluido per l’asportazione del calore dal condensatore, è stata quella dello spazio esterno da individuare ed impegnare per l’installazione: dell’intero refrigeratore o della parte condensante dello stesso, ed in molte situazioni, della specializzazione necessaria all’esecuzione degli allacciamenti idraulici o frigoriferi.

Questi problemi possono essere risolti con un refrigeratore con condensatore ad acqua ma con queste macchine, il consumo di acqua può raggiungere i 3000-4000 litri/giorno per il raffreddamento di un appartamento medio piccolo. Si comprende quindi che apparecchi come questi possono essere utilizzati solo in aree geografiche dove vi sono pozzi o fonti alternative agli acquedotti municipali (falde acquifere particolarmente abbondanti, fiumi o torrenti, acquitrini, ecc.).

E' noto da US 2002/0017110 un apparato condizionatore d'aria a condensazione evaporativa, comprendente una unità esterna e una unità interna. L'unità esterna comprende un circuito per la circolazione di un mezzo refrigerante, che sottrae calore da un circuito ad acqua, che è posto nell'unità interna e serve per raffreddare l'aria. L'unità esterna comprende un apparato a condensazione evaporativa, che comprende spire di condensazione e un sistema di erogazione intermittente di acqua evaporativa per erogare acqua sulle spire di condensazione.

US 5,787,722 descrive una unità scambiatrice di calore per un sistema condizionatore d'aria includente una pluralità di spire trasportanti un refrigerante caldo dove acqua è spruzzata su un insieme superiore delle spire.

IT-B-1233423 descrive un condizionatore d'aria comprendente un ventilatore centrifugo che prende aria dall'esterno attraverso un opportuno tubo flessibile per portarla ad un gruppo di condensazione ed evacuare l'aria all'esterno attraverso un ulteriore tubo.

GB 424985 A descrive un condizionatore d'aria avente una spira di condensazione immersa in un liquido e mezzi per raffreddare il liquido attraverso la circolazione sulla sua superficie di una corrente di aria presa dall'esterno dello spazio da condizionare.

Il compito tecnico alla base della presente invenzione è risolvere gli inconvenienti della tecnica nota. In particolare è scopo della presente invenzione risolvere i problemi di installazione e di elevato consumo d’acqua determinati rispettivamente dai refrigeratori condensati ad aria e da quelli condensati ad acqua.

Questi scopi ed altri ancora, che meglio appariranno nel corso della seguente descrizione, vengono sostanzialmente raggiunti da un refrigeratore d’acqua comprendente le caratteristiche espresse nella rivendicazione 1.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi appariranno maggiormente dalla descrizione dettagliata di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, di un refrigeratore d’acqua in accordo con la presente invenzione.

Tale descrizione verrà esposta qui di seguito con riferimento alle allegate figure, fornite a solo scopo indicativo e, pertanto, non limitativo, in cui:

- la figura 1 mostra una vista in sezione di un refrigeratore d’acqua in accordo con la presente invenzione;

- in figura 2 è illustrato schematicamente un esempio di installazione di un refrigeratore d’acqua con due condotti relative forature in una parete;

- la figura 3 mostra un secondo esempio di installazione di un refrigeratore d’acqua con l’uscita dei condotti su un lato dell’apparecchio che è stato ancorato alla parete.

- la figura 4 mostra una vista analoga a quella di figura 1, relativa ad una variante del refrigeratore d’acqua.

Con l’aiuto della sezione di principio rappresentata in figura 1 è possibile descrivere con maggiore chiarezza i contenuti della presente invenzione.

Il refrigeratore d’acqua, complessivamente indicato con il numero di riferimento 20, comprende un telaio 2 al quale è fissato un compressore frigorifero 1. Tramite una tubazione di mandata 3 il refrigerante viene inviato ad un condensatore evaporativo 4 anch’esso solidale al telaio 2. L’acqua da evaporare sul condensatore viene prelevata da una pompa 5 nella vasca o bacinella 6 e tramite la tubazione 7 ed il distributore 8 viene spruzzata sul condensatore evaporativo 4. Il refrigerante dopo essere stato condensato espande nel capillare o valvola di laminazione 9. E’ previsto inoltre un evaporatore 10 nel quale viene raffreddata l’acqua da inviare al circuito chiuso di alimentazione delle unità terminali di climatizzazione. Mediante una tubazione di ritorno 11, il refrigerante ritorna al compressore 1. Un ventilatore 12 provvede a ventilare il condensatore evaporativo 4. L’aria satura di umidità viene scaricata all’esterno mediante il condotto 13. L’aria che attraversa il condensatore evaporativo viene prelevata all’esterno tramite il condotto 14. Uno chassis 15 ancorabile al telaio 2 racchiude in una unica struttura l’intero apparecchio refrigeratore 20. Per evitare elevate concentrazioni di calcare che potrebbero incrostare rapidamente le tubazioni, può essere previsto un periodico ricambio dell’acqua contenuta nella bacinella 6 posta sotto il condensatore evaporativi 4. Lo scarico dell’acqua avviene tramite un sifone 16 che si innesca quando il livello viene elevato mediante una valvola di carico. Con tale sistema si evita l’utilizzo di costose valvole motorizzate o elettromagnetiche e si rende più affidabile il funzionamento del refrigeratore 20.

In figura 2 è illustrata una tipica installazione del refrigeratore 20 con i condotti e le relative forature della parete 19, eseguite posteriormente all’apparecchio 20 oggetto della presente invenzione. In questo esempio possiamo vedere anche le due griglie 17 che servono a proteggere i condotti 13 e 14 dall’ingresso di corpi estranei di grandi dimensioni. Nella figura 3 è mostrata una seconda installazione con l’uscita dei condotti 13,14 realizzata su un lato dell’apparecchio 20 che è stato ancorato alla parete 19.

La figura 4 mostra uno schema analogo alla figura 1 ma con l’aggiunta di un condensatore ad acqua 18 a monte del condensatore evaporativo 4 per la produzione di acqua calda sanitaria. Tramite questo dispositivo 20 è possibile trasferire il calore di condensazione all’interno di un accumulo di acqua sanitaria. Questo significa che ogni volta che viene utilizzato il refrigeratore 20 per climatizzare, la produzione di acqua calda sanitaria diventa pressoché gratuita.

La presente invenzione può essere integrata con una comune caldaia per la produzione di acqua calda per il riscaldamento e di acqua calda sanitaria. Questa integrazione può essere fatta anche all’interno dello stesso chassis dando così origine ad un unico apparecchio.

La principale soluzione tecnica che ha consentito di risolvere il problema tecnico sopra esposto è stata l’applicazione del principio della condensazione evaporativa su un refrigeratore di tipo monoblocco per collocazione interna agli ambienti. Il principio di funzionamento del condensatore evaporativo è basato sul trasferimento del calore tramite il passaggio di stato dell’acqua da liquido a vapore. La quantità di energia necessaria per questa trasformazione è, come noto, assai elevata (650 W per Kg). Con quindi una modesta quantità di acqua utilizzata si ottengono elevati trasferimenti di calore.

La tecnologia della condensazione evaporativa è nota da anni, ma è stata sempre applicata a impianti grosse dimensioni, nel campo sia della climatizzazione che in quello della refrigerazione industriale. Ulteriori utilizzi si sono avuti nel settore dei condizionatori autonomi di tipo trasferibile. Nelle macchine per impianti centralizzati, il condensatore evaporativo viene usato in sostituzione della più diffusa torre evaporativa, ove le complicazioni di esecuzione delle tubazioni di circolazione del refrigerante non generino eccessive problematiche impiantistiche.

I maggiori vantaggi legati a questa soluzione per il trasferimento del calore dal refrigerante all’ambiente esterno (fase di condensazione), rispetto ad uno scambiatore ad aria sono legati, oltre ad una significativa riduzione delle dimensioni, anche al contenimento della temperatura di condensazione (pressione di saturazione al condensatore). Questo determina un più elevato EER (energy efficiency ratio) con il conseguente abbassamento dei consumi di energia, in relazione alla potenza frigorifera erogata. Oltre a questo vantaggio si deve considerare la minore rumorosità di funzionamento, dovuta ai minori flussi di aria da fare circolare mediante i ventilatori.

Rispetto ai condensatori ad acqua la quantità di questo fluido che viene utilizzata in un condensatore evaporativo è enormemente inferiore (circa 1/20).

La presente invenzione permette il montaggio di refrigeratori d’acqua in grado di alimentare un numero considerevole di terminali per la climatizzazione (abitazioni, uffici , alberghi, locali ad uso collettivo in genere), all’interno degli ambienti con la sola necessità di due piccoli fori per la comunicazione con l’ambiente esterno. Questa peculiarità consente di applicare questi apparecchi per con modalità simili ad una piccola caldaia. Infatti non saranno necessari collegamenti frigoriferi e soprattutto, non sarà necessario posizionare all’esterno nessun altro macchinario.

L’utilizzo del principio della condensazione evaporativa, come già detto, consente di ridurre notevolmente i flussi d’aria e le dimensione dei refrigeratori rispetto a quelli con condensazione ad aria. La portata d’aria, necessaria per il funzionamento di piccoli refrigeratori con condensazione evaporativa (4-10 KW di potenza frigorifera) per utilizzo residenziale autonomo, può circolare in condotti di piccolo diametro (100-200 mm) facilmente posizionabili. Le forature necessarie per la comunicazione con l’esterno, saranno facilmente eseguibili tramite un comune trapano carotatore. Il consumo d’acqua scende drasticamente a valori accettabili in tutte le aree geografiche (12-25 litri/ora).

Le dimensione di questi nuovi refrigeratori saranno contenute e comunque compatibili con l’introduzione all’interno delle comuni abitazioni o edifici ad uso residenziale come avviene per altre apparecchiature quali le caldaie o scalda acqua. Le connessioni idrauliche consentiranno un facile e rapido allacciamento all’impianto termoidraulico.

I nuovi refrigeratori potranno anche essere montati, in un unico chassis, insieme a una caldaia murale, creando così un gruppo di produzione di acqua calda e fredda completo ed autonomo.

L’invenzione consegue importanti vantaggi. Il refrigeratore ad installazione interna semplificata secondo la presente invenzione offre una flessibilità di impiego elevatissima, permettendo di soddisfare pressoché tutte le esigenze di collocazione all’interno degli ambienti e di semplificare notevolmente l’installazione. Inoltre l’invenzione consente di ottenere una disposizione dei condotti dell’aria di immissione ed espulsione sempre ottimale per ogni tipologia di installazione. Si sottolinea inoltre che l’invenzione consente di realizzare un refrigeratore con una struttura semplice e di facile costruzione che, grazie alla possibilità di realizzare macchine di dimensioni contenute in rapporto alla loro potenza frigorifera, consente di ridurre notevolmente i costi di produzione e di stoccaggio.

L’invenzione così concepita è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo che la caratterizza. Inoltre, tutti i dettagli possono essere sostituiti da elementi tecnicamente equivalenti e le dimensioni potranno essere qualsiasi, a seconda delle esigenze.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1) Refrigeratore d’acqua (20) per installazione interna comprendente un telaio (2) ed un compressore (1) fissato al telaio (2), un condensatore evaporativo (4) operativamente collegato a detto compressore mediante una tubazione (3, 11), ed un ventilatore (12), il refrigeratore d'acqua (20) comprendendo inoltre un evaporatore (10) per provvedere al raffreddamento di acqua per la climatizzazione ed un organo di laminazione (9) per espandere un refrigerante all’interno dell’evaporatore (10), caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre un condotto di ingresso (14) ed un condotto di uscita (13) dell’aria necessaria al raffreddamento ed alla evaporazione dell’acqua sui tubi del condensatore evaporativo, detti condotti (13,14) essendo collegati all’esterno del telaio (2) e detto ventilatore (12) essendo atto a generare un flusso d’aria, entrante da detto condotto di ingresso (14), il flusso d'aria raccogliendo il calore evacuato, sia latente che sensibile, dal detto condensatore evaporativo (4) e convogliandolo verso l’esterno del telaio (2) mediante detto condotto di uscita (13).
2. 2) Refrigeratore d’acqua secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che comprende inoltre un distributore (8) per spruzzare acqua su detto condensatore evaporativo (4), detto distributore (8) essendo collegato, mediante un tubo (7), ad una pompa (5) atta a prelevare acqua da una vasca (5).
3. 3) Refrigeratore d’acqua secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che comprende inoltre un sifone (16) per scaricare periodicamente da detta vasca (15) l’acqua per l’evaporazione sul condensatore per evitare alte concentrazioni di calcare.
4. 4) Refrigeratore d’acqua secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto ventilatore (12) è un ventilatore centrifugo.
5. 5) Refrigeratore d’acqua secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto condensatore evaporativo (4) è integrato in uno chassis (15) fissato a detto telaio (2) in modo da racchiudere in una struttura l'intero refrigeratore d'acqua (20).
6. 6) Refrigeratore d’acqua secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detti condotti (13, 14) di collegamento con l'esterno hanno una sezione inferiore a 32000 millimetri quadrati.
7. 7) Refrigeratore d’acqua secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di essere integrato con una caldaia per il riscaldamento in un unico apparecchio, con relativi dispositivi per governarne il funzionamento estivo ed invernale.
8. 8) Refrigeratore d’acqua secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre un condensatore ad acqua (18) operativamente associato a monte del condensatore evaporativo (4) per integrare un sistema di produzione di acqua calda sanitaria nel refrigeratore (20).
9. 9) Refrigeratore d’acqua secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che utilizza il principio della condensazione evaporativa per l’evacuazione del calore di condensazione all’esterno.
10. 10) Refrigeratore d’acqua secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto evaporatore (10) è operativamente collegato ad un circuito chiuso di alimentazione delle unità terminali di climatizzazione con acqua raffreddata.
11. 11) Refrigeratore d’acqua secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di avere 4-10 KW di potenza frigorifera e detti condotti di ingresso (14) e di uscita (13) hanno 100-200 mm di diametro.
12. 12) Sistema di climatizzazione comprendente unità terminali di climatizzazione, un refrigeratore d'acqua secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti e un circuito chiuso operativamente collegato all'evaporatore (10) di detto refrigeratore d'acqua per alimentare dette unità terminali di climatizzazione con acqua raffreddata.
13. 13) Edificio comprendente un locale separato dall'ambiente esterno da una parete (19), dove un refrigeratore d’acqua secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 11 è installato internamente in detto locale e detti condotti di ingresso e d'uscita (13, 14) sono collegati all'ambiente esterno attraverso fori in detta parete (19).
14. 14) Edificio secondo la rivendicazione precedente, dove detto refrigeratore d'acqua è posizionato a pavimento o appeso su una ulteriore parete del locale.