ITMI20061472A1

ITMI20061472A1 - STATIC MECHANICAL DEVICE FOR THE SEPARATION OF FLUIDS WITH TWO OR MORE OUTPUTS AT DIFFERENTIATED TEMPERATURE AND LOW ENERGY CONSUMPTION

Info

Publication number: ITMI20061472A1
Authority: IT
Inventors: Antonio Lanti
Original assignee: Antonio Lanti
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2008-01-27

Description

Descrizione della domanda di brevetto per invenzione indust Description of the patent application for industrial invention

titolo: title:

"Dispositivo meccanico statico per la separazione dei fluidi a due o più uscite a temperatura differenziata e a basso consumo energetico" A nome: Lanti Antonio "Static mechanical device for the separation of fluids with two or more outlets at differentiated temperatures and with low energy consumption" On behalf: Lanti Antonio

Descrizione Description

La presente invenzione sì riferisce a un disposi<M>tiv<l>o 2 m mO0pe6rcrcAaannOiircnoo<->c st.i-|3⁄4a>.t4iirc.ro\.£a<'>· per la separazione dei fluidi a due o più uscite a temperatura differenziata e a basso consumo energetico. The present invention relates to a device <M> tiv <l> o 2 m mO0pe6rcrcAaannOiircnoo <-> c st.i- | 3⁄4a> .t4iirc.ro \. £ a <'> for the separation of fluids a two or more outputs with differentiated temperatures and low energy consumption.

Più in particolare la presente invenzione si riferisce a un dispositivo meccanico per il trattamento dell'aria o di altre note tipologie di fluido, atto a suddivìdere la massa d'aria da trattare in modo tale da abbassarne e/o aumentarne la temperatura di origine e convogliarla verso destinazioni differenti; tale dispositivo è specialmente adatto al raffreddamento, con un basso consumo energetico, dei circuiti elettrochimici utilizzati per la trasformazione in energia dellldrogenoossigeno e/o aria conosciuti come "fuel cells" o celle a combustibile. Le tradizionali tecniche per il raffreddamento dei fluidi, aria, gas o altri liquidi, e per il loro successivo convoglia mento a temperature differenziate verso destinazioni differenti, fanno riferimento a metodi criogenici o frigoriferi basati sulle note leggi e principi della termodinamica, quali ad esempio la legge di Rault o il principio di Carnot-Clausius. More specifically, the present invention refers to a mechanical device for treating air or other known types of fluid, suitable for dividing the mass of air to be treated in such a way as to lower and / or increase its original temperature and convey it to different destinations; this device is especially suitable for the cooling, with low energy consumption, of the electrochemical circuits used for the transformation of oxygen and / or air into energy, known as "fuel cells". The traditional techniques for cooling fluids, air, gases or other liquids, and for their subsequent conveyance at different temperatures to different destinations, refer to cryogenic or refrigeration methods based on the known laws and principles of thermodynamics, such as for example Rault's law or the Carnot-Clausius principle.

Tuttavia queste tradizionali tecniche presentano un Inconveniente di rilievo connesso al fatto che I processi per il raffreddamento, specialmente delle celle a combustibile, awengono con un consumo energetico pari a circa un terzo dell'energia prodotta dalla cella dì combustibile medesima; inoltre, tali tradizionali tecniche per il raffreddamento dei fluidi con un basso consumo energetico presentano un'efficienza tendenzialmente limitata e non superiore, allo stato attuale, ai 15 - 20° C per quanto concerne la differenza di temperatura. However, these traditional techniques have a significant drawback connected to the fact that the processes for cooling, especially of the fuel cells, take place with an energy consumption equal to about one third of the energy produced by the fuel cell itself; moreover, these traditional techniques for cooling fluids with low energy consumption tend to have a limited efficiency and, at present, no higher than 15 - 20 ° C as regards the difference in temperature.

Scopo dell'invenzione è quello di ovviare all'inconveniente sopra lamentato. The object of the invention is to obviate the aforementioned drawback.

Più in particolare lo scopo della presente invenzione è quello di provvedere un dispositivo meccanico statico per la separazione dei fluidi a due o più uscite a temperatura differenziata e a basso consumo energetico atto a realizzare il processo per l'ottenimento del freddo con un basso consumo energetico e con un'alta efficienza. Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione degli utilizzatori un dispositivo atto a garantire un elevato livello di resistenza e affidabilità nel tempo, tale inoltre da poter essere facilmente ed economicamente realizzato. More specifically, the object of the present invention is to provide a static mechanical device for the separation of fluids with two or more outlets at differentiated temperatures and with low energy consumption suitable for carrying out the process for obtaining cold with low energy consumption and with high efficiency. A further object of the present invention is to make available to users a device capable of guaranteeing a high level of resistance and reliability over time, furthermore such that it can be easily and economically produced.

Questo ed altri scopi vengono raggiunti dal dispositivo meccanico statico per la separazione dei fluidi a due o più uscite a temperatura differenziata a basso consumo energetico dell'invenzione che comprende un corpo contenitore su cui sono presenti almeno due ugelli corrispondenti rispettivamente all'ugello deH'aria o fluido da trattare e all'ugello dell'aria o fluido di miscelazione e almeno due diaframmi per la fuoriuscita dell'aria o fluido freddo e dell'aria o fluido caldo e comprendente, inoltre, mezzi atti a realizzare la separazione dell'aria o fluido da trattare in componenti a temperatura diversa. Le caratteristiche costruttive e funzionali del dispositivo meccanico statico per (a separazione dei fluidi a due o più uscite a temperatura differenziata a basso consumo energetico della presente invenzione potranno essere meglio comprese dalla dettagliata descrizione che segue, in cui si fa riferimento alle allegate tavole di disegni che ne rappresentano una forma di realizzazione preferita e non limitativa e in cui: This and other purposes are achieved by the static mechanical device for the separation of fluids with two or more low energy consumption outlets at differentiated temperatures of the invention which comprises a container body on which there are at least two nozzles corresponding respectively to the air nozzle. or fluid to be treated and to the nozzle of the air or mixing fluid and at least two diaphragms for the escape of the air or cold fluid and the air or hot fluid and further comprising means suitable for carrying out the separation of the air or fluid to be treated in components at different temperatures. The constructive and functional characteristics of the static mechanical device for the separation of fluids with two or more low energy consumption outlets at differentiated temperatures of the present invention can be better understood from the detailed description that follows, in which reference is made to the attached drawings which represent a preferred and non-limiting embodiment thereof and in which:

la figura 1 rappresenta schematicamente in vista frontale un dispositivo meccanico statico per la separazione dei fluidi a due o più uscite a temperatura differenziata a basso consumo energetico dell'invenzione; Figure 1 schematically represents a front view of a static mechanical device for the separation of fluids with two or more low energy consumption outlets at differentiated temperatures of the invention;

la figura 2 rappresenta schematicamente una vista in pianta di un particolare costitutivo del dispositivo dell'invenzione; Figure 2 schematically represents a plan view of a constituent detail of the device of the invention;

la figura 3 rappresenta una sezione schematica trasversale del particolare di cui alla figura precedente; Figure 3 is a schematic cross section of the detail of the previous figure;

la figura 4 rappresenta schematicamente un impianto definito dall'unione di più dispositivi dell'invenzione; Figure 4 schematically represents a plant defined by the union of several devices of the invention;

la figura S rappresenta un grafico ottenuto a seguito di prove sperimentali condotte utilizzando il dispositivo dell'invenzione. Figure S represents a graph obtained following experimental tests carried out using the device of the invention.

Con riferimento alle citate figure il dispositivo meccanico statico per la separazione dei fluidi a due o più uscite a temperatura differenziata e a basso consumo energetico della presente invenzione, indicato nel complesso con 10 nello schema di figura 1, comprende un corpo contenitore 12 di forma sostanzialmente cilindrica, al cui interno è disposta una struttura di tipo spira liforme, non rappresentata in figura 1 e della cui funzione e struttura si dirà in seguito. With reference to the aforementioned figures, the static mechanical device for the separation of fluids with two or more outlets at differentiated temperatures and with low energy consumption of the present invention, indicated as a whole with 10 in the diagram of Figure 1, comprises a container body 12 having a substantially cylindrical shape , inside which a spiral-like structure is arranged, not shown in figure 1 and whose function and structure will be discussed later.

Detto corpo contenitore 12 è realizzato in materiale metallico o in altro idoneo materiale con caratteristiche di elevata resistenza alla tipologia di fluidi trattati e alle temperature di esercizio (30 ÷ 50 °C). Il corpo contenitore 12 presenta, secondo una forma dì realizzazione preferita descritta alla figura 1, esemplificativamente in corrispondenza del suo fronte superiore almeno due ugelli 14 e 16 corrispondenti rispettivamente all'ugello deH'aria o fluido da trattare e all'ugello dell'aria o fluido di miscelazione. Il fluido o i fluidi separati all'interno del corpo contenitore 12, e definiti da un fluido caldo e da fluido freddo, fuoriescono dallo stesso attraverso almeno due diaframmi o fori 18 e 20, definenti rispettivamente i diaframmi o fori di uscita dell'aria o fluido freddo e dell'aria o fluido caldo; il fluido In uscita da detti diaframmi o fori transita attraverso i tubi 22 e 24 per poi essere convogliato alle utenze attraverso dei tradizionali regolatori di flusso 26 e 28. Said container body 12 is made of metallic material or other suitable material with characteristics of high resistance to the type of fluids treated and to operating temperatures (30 ÷ 50 ° C). The container body 12 has, according to a preferred embodiment described in Figure 1, by way of example at its upper front at least two nozzles 14 and 16 corresponding respectively to the nozzle of the air or fluid to be treated and to the nozzle of the air or mixing fluid. The fluid or fluids separated inside the container body 12, and defined by a hot fluid and a cold fluid, exit from it through at least two diaphragms or holes 18 and 20, respectively defining the diaphragms or outlet holes for the air or fluid cold and hot air or fluid; the fluid exiting said diaphragms or holes passes through the pipes 22 and 24 to then be conveyed to the users through traditional flow regulators 26 and 28.

All'interno del corpo contenitore 12, come già enunciato sopra, è disposta, integrata o riportata, una struttura spiraliforme, del tipo a doppia spirale cilindrica e leggermente conica, ricavata con riferimento alle note leggi della termodinamica (equazione di Maxwell, funzione iperbolica vettoriale di Brown modificata da Blondel). Inside the container body 12, as already stated above, a spiral structure is arranged, integrated or brought back, of the type with a cylindrical and slightly conical double spiral, obtained with reference to the known laws of thermodynamics (Maxwell's equation, vector hyperbolic function by Brown modified by Blondel).

Detta struttura spiraliforme, indicata con 30 nello schema di figura 2 e nella sezione trasversale di figura 3, è definita da un blocco centrale 32;di forma sostanzialmente cilindrica cava, sul quale viene ottenuta per lavorazione meccanica, ad esempio di fresatura, o riportata In modo convenzionale la struttura spiraliforme di cui si è detto sopra. Detto blocco centrale 32 è chiuso alle estremità destra e sinistra rispettivamente da due flange di chiusura laterale 34 e 36, serrate l'una rispetto all'altra a mezzo di viti 31 e bulloni 31' o equivalenti mezzi dì vincolo. La struttura spiraliforme 30 divide il blocco centrale 32 in due porzioni concentriche 32' e 32", rispettivamente esterna ed Interna, che definiscono il percorso del fluido da separare secondo le modalità che verranno discusse in seguito. Said spiral structure, indicated with 30 in the diagram of figure 2 and in the cross section of figure 3, is defined by a central block 32; of a substantially cylindrical hollow shape, on which it is obtained by mechanical processing, for example by milling, or reported in conventional way the spiral structure mentioned above. Said central block 32 is closed at the right and left ends respectively by two lateral closing flanges 34 and 36, tightened with respect to each other by means of screws 31 and bolts 31 'or equivalent fastening means. The spiral-shaped structure 30 divides the central block 32 into two concentric portions 32 'and 32 ", respectively external and internal, which define the path of the fluid to be separated according to the modalities that will be discussed below.

La struttura spiraliforme 30 presenta, con riferimento alla forma di realizzazione preferita di figura 2, un foro d'ingresso 38 dell'aria o fluido trattato posizionato ad esempio in corrispondenza della parte inferiore della porzione concentrica esterna 32' del blocco centrale 32. Un ulteriore foro di ingresso 40 è posizionato in corrispondenza della parte inferiore della porzione concentrica interna 32" del blocco centrale 32. Nella porzione concentrica interna 32" in corrispondenza della sua regione centrale e lungo il fronte interno della flangia di chiusura laterale destra 34 sono disposti uno o più fori di uscita 42 dell'aria o fluido freddo; allo stesso modo lungo il fronte interno della flangia di chiusura laterale sinistra 36 sono disposti uno o più ulteriori fori di uscita 44 dell'aria o fluido caldo. A detti fori dì uscita 42 e 44 sono collegati convenzionali tubi 46 e 48, rispettivamente atti al convogliamento e al trasporto dell'aria o fluido freddo e caldo, L'aria o il fluido in ingresso nella porzione concentrica esterna 32' della struttura spiraliforme 30 attraverso il foro d'ingresso 38 è posta In rotazione, in regime turbolento, dalla geometria della struttura spiraliforme medesima, transita nella porzione concentrica Interna 32" attraverso l'ulteriore foro di ingresso 40. Il regime turbolento che si crea all'interno della struttura spiraliforme 30 consente di separare la componente calda dell'aria o fluido da quella fredda; l'aria fredda che ha un minor contenuto energetico e una minore velocità è circondata da aria calda che possiede una velocità superiore oltre che un maggior contenuto energetico. Le due componenti fredda e calda del fluido si indirizzando dunque rispettivamente verso i fori di uscita dell'aria o fluido freddo 42 e dell'aria o fluido caldo 44. The spiral-shaped structure 30 has, with reference to the preferred embodiment of Figure 2, an inlet hole 38 for the air or treated fluid positioned for example in correspondence with the lower part of the outer concentric portion 32 'of the central block 32. A further inlet hole 40 is positioned in correspondence with the lower part of the internal concentric portion 32 "of the central block 32. In the internal concentric portion 32" in correspondence with its central region and along the internal front of the right side closing flange 34 are arranged one or several outlet holes 42 for the air or cold fluid; in the same way, one or more further outlet holes 44 for the air or hot fluid are arranged along the internal front of the left side closing flange 36. Conventional tubes 46 and 48 are connected to said outlet holes 42 and 44, respectively suitable for conveying and transporting the air or cold and hot fluid, the air or fluid entering the external concentric portion 32 'of the spiral-shaped structure 30 through the inlet hole 38 it is set in rotation, in a turbulent regime, by the geometry of the spiral structure itself, it passes through the internal concentric portion 32 "through the further inlet hole 40. The turbulent regime that is created inside the structure spiral 30 allows to separate the hot component of the air or fluid from the cold one; the cold air which has a lower energy content and a lower speed is surrounded by hot air which has a higher speed as well as a higher energy content. the cold and hot components of the fluid are therefore directed respectively towards the outlet holes of the air or cold fluid 42 and of the air or hot fluid 44.

I dispositivi dell'invenzione, sopra dettagliatamente descritti in una forma di realizzazione preferita, possono essere disposti in cascata come schematicamente rappresentato in figura 4. L'aria o fluido da trattare e l'aria o fluido di miscelazione, ad una prefissata pressione e temperatura, vengono introdotti nel corpo contenitore 12 di un primo dispositivo 10 dell'invenzione rispettivamente attraverso gli ugelli 14 e 16 e passano nella struttura spiraliforme 30, che realizza la separazione dell'aria o fluido in aria o fluido caldo e aria o fluido freddo. L'aria o fluido caldo fuoriesce attraverso il foro 44 e tramite il convenzionale tubo 48 viene convogliata verso il diaframma 20 e da qui a mezzo di un tubo 24 a un'utenza o uno scarico, mentre l'aria o fluido freddo passa attraverso il foro 42 e viene convogliata tramite il tubo 46, il diaframma 20 e il tubo 24 ad un secondo dispositivo 10' dell'invenzione. L'aria o fluido in Ingresso nel secondo dispositivo 10' dell'invenzione è introdotta in un corpo contenitore 12' e separata nelle sue componenti calda e fredda a mezzo della struttura spiraliforme; secondo le stesse modalità sopra enunciate l'aria o fluido caldo viene convogliata attraverso un tubo 24' ad uno scarico o a un’utenza, mentre l'aria o fluido freddo viene convogliata ad un successivo dispositivo 10" dell'invenzione attraverso un tubo 22'. The devices of the invention, described in detail above in a preferred embodiment, can be arranged in cascade as schematically represented in Figure 4. The air or fluid to be treated and the air or mixing fluid, at a predetermined pressure and temperature , are introduced into the container body 12 of a first device 10 of the invention respectively through the nozzles 14 and 16 and pass into the spiral-shaped structure 30, which separates the air or fluid into air or hot fluid and air or cold fluid. The hot air or fluid exits through the hole 44 and through the conventional tube 48 is conveyed towards the diaphragm 20 and from there by means of a tube 24 to a user or an outlet, while the cold air or fluid passes through the hole 42 and is conveyed through the tube 46, the diaphragm 20 and the tube 24 to a second device 10 'of the invention. The air or fluid entering the second device 10 'of the invention is introduced into a container body 12' and separated into its hot and cold components by means of the spiral-shaped structure; according to the same methods stated above, the air or hot fluid is conveyed through a pipe 24 'to an outlet or to a user, while the air or cold fluid is conveyed to a subsequent device 10 "of the invention through a pipe 22' .

Una configurazione In serie o in cascata di questo tipo permette vantaggiosamente di realizzare abbassamenti progressivi della temperatura con un'alta efficienza. A series or cascade configuration of this type advantageously allows to achieve progressive lowering of the temperature with high efficiency.

Prove sperimentali condotte dalla richiedente considerando un ciclo di raffreddamento hanno permesso di dimostrare l'efficienza del sistema, come mostrato dal grafico di figura 5 nel quale sull'asse delle ordinate sono riportati i valori della caduta massima di temperatura espressi in °C (gradi centigradi o Celsius) e su quello delle ascisse sono riportati i valori della pressione all'ingresso del dispositivo dell'invenzione espressa in bar. I test sperimentali sono stati condotti considerando un diametro del foro di ingresso dell'aria da trattare pari a 2,5 mm, un diametro del foro di uscita dell'aria fredda pari a 4,9 mm e un diametro del foro di uscita dell'aria calda pari a 9,9 mm. Le prove sperimentali hanno mostrato che con un valore di pressione all'ingresso pari a 3 bar il valore delia caduta massima di temperatura è già di circa 35 °C; alimentare del valore della pressione all'ingresso aumenta anche l'efficienza del sistema. Come si può rilevare da quanto precede, sono evidenti i vantaggi che l'invenzione consegue. Experimental tests carried out by the applicant considering a cooling cycle have made it possible to demonstrate the efficiency of the system, as shown in the graph in figure 5 in which the values of the maximum temperature drop expressed in ° C (degrees centigrade) are shown on the ordinate axis. or Celsius) and the values of the pressure at the inlet of the device of the invention expressed in bars are shown on that of the abscissas. The experimental tests were conducted considering a diameter of the inlet hole of the air to be treated equal to 2.5 mm, a diameter of the cold air outlet hole equal to 4.9 mm and a diameter of the outlet hole of the hot air equal to 9.9 mm. Experimental tests have shown that with a pressure value at the inlet equal to 3 bar, the value of the maximum temperature drop is already about 35 ° C; feeding the value of the pressure at the inlet also increases the efficiency of the system. As can be seen from the foregoing, the advantages that the invention achieves are evident.

Il dispositivo meccanico statico per la separazione dei fluidi a due o più uscite a temperatura differenziata e a basso consumo energetico della presente invenzione consente vantaggiosamente di realizzare il processo per l'ottenimento del freddo con un basso consumo energetico e con un'alta efficienza; collegando, inoltre, più dispositivi dell'invenzione in cascata la differenza di temperatura tra ingresso e uscita può raggiungere valori superiori a 100 °C con un consumo energetico molto contenuto e ridotto di almeno il 35% rispetto alle tecniche note di raffreddamento. The static mechanical device for separating fluids with two or more differentiated temperature and low energy consumption outlets of the present invention advantageously allows to carry out the process for obtaining cold with low energy consumption and high efficiency; moreover, by connecting several devices of the invention in cascade, the temperature difference between inlet and outlet can reach values higher than 100 ° C with a very low energy consumption reduced by at least 35% with respect to known cooling techniques.

Un ulteriore vantaggio del dispositivo dell'invenzione è rappresentato dal fatto che esso può essere utilizzato per applicazioni diverse rispetto a quelle specificatamente dedicate al raffreddamento delle celle a combustibile; la presente invenzione può essere, infatti, utilizzata in tutte quelle applicazioni per le quali sia utile o necessario modificare la temperatura dell'ambiente o la temperatura interna di un macchinario contenendo i consumi energetici. A further advantage of the device of the invention is represented by the fact that it can be used for applications other than those specifically dedicated to the cooling of fuel cells; the present invention can, in fact, be used in all those applications for which it is useful or necessary to modify the ambient temperature or the internal temperature of a machinery while limiting energy consumption.

Ulteriormente vantaggioso è il fatto che il fluido caldo In uscita dal dispositivo dell'invenzione può essere convogliato verso altre utenze ed utilizzato ad esempio per il riscaldamento degli ambienti. Further advantageous is the fact that the hot fluid leaving the device of the invention can be conveyed to other users and used for example for space heating.

Benché l'invenzione sia stata sopra descritta con particolare riguardo a una sua forma di realizzazione, data solo a scopo esemplificativo e non limitativo, numerose modifiche e varianti appariranno evidenti a un tecnico del ramo alla luce della descrizione sopra riportata. La presente invenzione, pertanto, intende abbracciare tutte le modifiche e le varianti che rientrano nello spìrito e neH'ambito delle rivendicazioni che seguono. Although the invention has been described above with particular regard to an embodiment thereof, given only by way of non-limiting example, numerous modifications and variations will appear evident to a person skilled in the art in the light of the above description. The present invention, therefore, intends to embrace all the modifications and variations that fall within the spirit and scope of the following claims.

Claims

Claims 1. A static mechanical device (10) for the separation of fluids with two or more outlets at differentiated temperatures and with low energy consumption especially suitable for the cooling, with low energy consumption, of the electrochemical circuits used for the transformation into energy of hydrogen oxygen and / or air comprising a container body (12) on which there are at least two nozzles (14, 16) corresponding respectively to the nozzle of the air or fluid to be treated and to the nozzle of the air or mixing fluid and at least two diaphragms ( 18, 20) for the exit of the air or cold fluid and the air or hot fluid, characterized in that it comprises means suitable for separating the air or fluid to be treated into components at different temperatures.

2. The device according to claim 1, characterized in that the means suitable for separating the air or fluid to be treated into components at different temperatures are defined by a spiral-shaped structure (30), of the slightly cylindrical double spiral type conical.

3. The device according to the preceding claims, characterized in that the spiral-like structure (30) is defined by a central block (32), of a substantially cylindrical hollow shape, on which the spiral-like structure is obtained by milling or applied.

4. The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the spiral structure (30) divides the central block (32) into an external concentric portion (32 <*>) and an internal concentric portion (32 ") .

5. The device according to one or more of the preceding claims characterized in that the central block (32) is closed at the right and left ends respectively by two lateral closing flanges (34, 36) tightened with respect to each other by means of screws (31) and bolts (310 6. the device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the spiral structure (30) has an inlet hole (38) for the treated air or fluid positioned in correspondence with the lower part of the external concentric portion (320 of the central block (32) and a further Inlet hole (40) positioned in correspondence with the lower part of the internal concentric portion (32 ") of the central block (32). 7. the device according to one or more of the preceding claims, characterized in that on the internal concentric portion (32 ") of the spiral structure (30) in correspondence with its central region and along the internal front of the right lateral closing flange (34) one or more outlet holes (42) for the air or cold fluid are arranged and along the internal front of the left side closing flange (36) one or more further outlet holes (44) for the hot fluid or ana are arranged. The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the individual devices (10) are connected in series or in "cascade" with respect to each other.

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