ITMI20102290A1 - Pompa di calore ad assorbimento multi-stadio e auto-adattante - Google Patents

Description

Il presente trovato si riferisce a una pompa di calore ad assorbimento multi-stadio e autoadattante.

Sono note pompe di calore per cicli a doppio stadio come quelle descritte nel trattato “Evaluation of double lift-cycles for waste heat powered refrigeration†D.C. Erickson, J. Tang.

I cicli ad assorbimento di questo tipo si sono vantaggiosi per la capacità intrinseca di essere alimentati con calore a bassa temperatura rispetto ai cicli a semplice effetto. Ad esempio con la coppia H2O-NH3 si riesce a lavorare a circa 50°C in meno rispetto a un ciclo ad assorbimento non multi stadio.

Lo svantaggio à ̈ che l’efficienza del ciclo, rispetto a quello semplice, à ̈ circa dimezzata. Per questo motivo tali cicli sono anche chiamati a doppio stadio, 1⁄2 effetto.

Per far funzionare il ciclo anche con temperature al generatore più basse, il refrigerante liquido in uscita dal condensatore viene splittato in due flussi. Uno dei due flussi di refrigerante liquido va all’evaporatore; l’altro ad un assorbitore che viene raffreddato mediante l’evaporazione refrigerante, cioà ̈ ad un evaporatore a pressione intermedia (IPE), che serve per raffreddare l’assorbitore a bassa pressione (LPA).

Questo tipo di splitting del flusso di refrigerante genera due inconvenienti che rendono l’applicazione di tali cicli problematica.

La suddivisione dei due flussi di refrigerante à ̈ tipicamente funzione a) della geometria dello distributore (splitter), b) delle portate di refrigerante all’ingresso e alle due uscite e c) delle pressioni all’ingresso e ai due rami in uscita.

Il distributore può essere ottimizzato per una determinata condizione di riferimento (input termico al generatore, pressioni di esercizio e carichi termici all’evaporatore o all’assorbitore a bassa pressione etc) per distribuire in modo ottimale il refrigerante fra i due rami.

Tuttavia in condizioni operative differenti da quelle di ottimizzazione, il distributore distribuirà in modo differente il refrigerante e in modo non proporzionale alle necessità dei due rami a valle, determinando perdite di efficienza del ciclo, in certi casi anche complete.

Per le stesse ragioni sostanzialmente fluidodinamiche, in condizioni transitorie del ciclo, che si determinano molto facilmente al variare ad esempio della pressione al condensatore (tipicamente dovuta al cambiare della temperatura ambiente per le macchine condensate ad aria) o dell’input termico al generatore o al variare della pressione di evaporazione, si possono innescare delle oscillazioni periodiche delle condizioni del ciclo o instabilità indotte da una “retroazione†dell’effetto delle variazioni di portata di refrigerante sui due rami in uscita del distributore.

Quindi non solo quando si à ̈ in condizioni diverse da quelle per cui il sistema à ̈ ottimizzato il distributore provoca perdite di efficienza, ma nelle condizioni, molto comuni, in cui si ha una rapida variazione delle condizioni di pressione del ciclo si possono innescare fenomeni di oscillazione ed instabilità delle condizioni generali tali da renderne problematico il controllo, con associata una diminuzione significativa delle prestazioni ed eventualmente raggiungimento di condizioni limite dei parametrici sicurezza del ciclo, con conseguente fermo.

I problemi di instabilità derivano dal fatto che il refrigerante che viene mandato ad evaporare a pressione intermedia per raffreddare l’assorbitore, indipendentemente dal fatto che evapori completamente o che resti parzialmente liquido, viene “perso†come refrigerante utile all’evaporatore. Inoltre se la quantità di refrigerante inviata a raffreddare l’assorbitore à ̈ insufficiente, nel senso che l’assorbimento non à ̈ completo, il ciclo viene “tagliato†e quindi l’ampiezza delle sue condizioni operative viene ridotta.

Occorrerebbe un sistema di distribuzione (splitting) in grado di valutare in ogni momento la quantità esatta di refrigerante necessaria in grado di riuscire a ripartirla in modo esatto in ogni istante da un lato e dall’altro.

Entrambe le cose (valutare e ripartire) sono molto complesse, se non praticamente irrealizzabili, anche per un sistema di distribuzione meccanico attivo (cioà ̈ con un motore, valvola parzializzatrice etc.).

Scopo del presente trovato à ̈ quello di fornire una pompa di calore multistadio che sia in grado di lavorare in maniera più stabile e con maggiori rendimenti in condizioni di funzionamento variabili.

Questi ed altri scopi vengono raggiunti realizzando una pompa di calore multistadio secondo gli insegnamenti tecnici delle annesse rivendicazioni.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno evidenti dalla descrizione di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva della pompa di calore, illustrata a titolo esemplificativo e quindi non limitativo nei disegni allegati, in cui:

la figura 1 mostra uno schema semplificato della pompa di calore del presente trovato;

la figura 2 mostra una differente forma di realizzazione della presente invenzione.

Con riferimento alle figure citate, viene mostrata una pompa di calore complessivamente indicata con il riferimento numerico 1.

La pompa di calore illustrata in figura 1 opera secondo un ciclo che utilizza come refrigerante un primo fluido (nel caso specifico ammoniaca), che viene fatto assorbire in un secondo fluido (che in questo caso à ̈ acqua). La pompa di calore ad assorbimento prevede un convenzionale generatore 2 o desorbitore che riceve calore Q da una fonte a bassa temperatura (80-90°C) che può essere ad esempio un circuito di raffreddamento di un motore a combustione interna, un circuito riscaldato da pannelli solari, acqua di processo industriale ecc.

L’uscita di vapore del generatore, vantaggiosamente attraverso un rettificatore 201, à ̈ connessa tramite una prima linea 3 a un condensatore 4 preferibilmente raffreddato ad aria.

La linea 6 in uscita dal condensatore 4 attraversa uno scambiatore di calore 34 (opzionale) in controcorrente, ed à ̈ posta in comunicazione di scambio termico con uno scambiatore 10 presente a valle di una valvola di laminazione 50 prevista sulla linea 6 stessa.

Il fluido presente nella linea 6 (misto di vapore e liquido in funzione di quanto calore à ̈ stato sottratto allo scambiatore 10), sfocia in un separatore liquido vapore 51.

Il separatore liquido vapore presenta un’uscita 51A di liquido refrigerante connessa da una terza linea 6A, che tramite una valvola di laminazione 5 connette il separatore 51 ad un evaporatore 7 (che può avere come sorgente di calore aria dell’ambiente da rinfrescare).

Un’uscita 7B dell’evaporatore à ̈ connessa da una terza linea 8 (eventualmente passante per lo scambiatore 34) ad un ingresso di vapore 52A di un mescolatore 52. Il mescolatore 52 prevede un’uscita 52C di un misto di soluzione liquida e di vapore connessa con lo scambiatore 10, raffreddato proprio dal fluido refrigerante. Di fatto il mescolatore 52 e lo scambiatore 10 fungono da gruppo assorbitore a bassa pressione 100.

Un’uscita 10B dello scambiatore 10 à ̈ connessa ad un’aspirazione di una pompa 14 da una cui mandata si diparte una quarta linea 15 che sfocia in un ulteriore mescolatore 53.

La linea 15 a valle della pompa attraversa un recuperatore rigenerativo a pressione intermedia 54, e successivamente scambia calore con il rettificatore 201 (se previsto) a cui la soluzione ricca di ammoniaca sottrae calore per favorire la condensazione dei vapori d’acqua.

Una quinta linea 16 connette attraverso una valvola di non ritorno 32 un’uscita di vapore 51B del separatore 51 con un ingresso di vapore dell’ulteriore mescolatore 53, che immette il misto di soluzione liquida e di vapore nello scambiatore 57 dell’assorbitore a pressione intermedia che cede calore all’esterno; il mescolatore 53 e lo scambiatore 57 fungono da gruppo assorbitore a media pressione 200.

Un’uscita dell’assorbitore 200 a pressione intermedia à ̈ associata all’aspirazione di una seconda pompa 14A, la cui mandata à ̈ connessa a una ottava linea 17 sfociante nel generatore 2, dopo aver scambiato calore con un rigeneratore ad alta pressione 55 se previsto.

Alla base del generatore 2, à ̈ prevista un’uscita 2C dalla quale una soluzione povera di ammoniaca, tramite una sesta linea 19 munita di almeno una valvola di laminazione 30 viene indirizzata ad un ingresso di soluzione povera 52B del miscelatore 52.

Se previsto, la soluzione povera presente nella sesta linea scambia calore con il rigeneratore 54.

Il funzionamento del trovato à ̈ evidente per un tecnico del ramo e non verrà quindi descritto.

L’invenzione prevede di evitare completamente la distribuzione (split) di refrigerante liquido, facendo passare tutto il flusso nello scambiatore 10, dove parte del refrigerante evaporerà, in ragione del carico termico sull’assorbitore, per poi riversare sia il vapore che la parte del refrigerante rimanente in un recipiente separatore 51 da dove la frazione vapore viene mandata all’assorbitore a pressione intermedia 200 e la frazione liquida portata alla pressione di evaporazione (valvola 5) e inviata all’evaporatore 7.

Il funzionamento generale dei cicli non muta, ma viene evitato il distributore, e la quantità di refrigerante per raffreddare l’assorbitore 10 (che sottrae refrigerante utile all’evaporatore – ma à ̈ indispensabile per poter fare girare il ciclo con †̃lift’ termici molto ridotti) si †̃auto adatta’ in funzione del carico da sottrarre all’assorbitore.

In sostanza il carico termico sull’assorbitore 10, cioà ̈ il calore che deve essere dissipato a carico del refrigerante che raffredda, à ̈ dato principalmente dal calore che viene prodotto nel processo di assorbimento del vapore nel liquido, e in minima parte dal processo di raffreddamento sensibile del liquido.

Quindi nel passaggio completo del refrigerante sullo scambiatore 10 del gruppo assorbitore 100, solo una frazione in prima approssimazione pari al calore di assorbimento evaporerà, mentre la rimanente frazione liquida sarà tutta disponibile per l’evaporatore 7.

Il liquido sarà separato in 51, nel semplice processo di separazione delle due fasi liquida e vapore nel successivo separatore. In sostanza il recipiente 51 ha volume e sezione tali da consentire per forza gravitazionale la separazione della fase liquida in basso e del vapore in alto.

Quindi il “consumo†di refrigerante per l’assorbitore à ̈ sempre quello che serve per l’assorbimento, e se in certe condizioni il calore di assorbimento tendesse a zero (nessun vapore da assorbire) il consumo di refrigerante sarebbe quasi nullo (solo il calore di raffreddamento sensibile).

Vengono quindi superati i problemi riscontrati nella tecnica nota, e in aggiunta in condizioni favorevoli in cui la necessità del doppio effetto tende a diminuire, i cicli multistadio a 1/2effetto tendono ad avvicinarsi al ciclo a semplice effetto, cioà ̈ ad avere efficienza molto maggiore.

La forma di realizzazione di figura 2, al contrario di quella illustrata in figura 1, presenta solamente una pompa 14 che effettua da sola il salto di pressione necessario.

Le parti strutturali simili dei due impianti sono indicate con gli stessi riferimenti numerici già usati per la descrizione della figura 1. Esse non verranno più descritte.

Le modifiche strutturali del circuito sono evidenti dalla figura 2. In sostanza la quarta linea 15, invece di sfociare nell’ulteriore miscelatore 53, sfocia direttamente nel generatore 2. Ovviamente anche in questo caso sulla linea 15 possono essere previsti sia il rigeneratore 201 che il recuperatore di alta pressione 55 e di bassa pressione 54.

La sesta linea 19 di soluzione povera in uscita dal generatore 2 sfocia nel miscelatore 53 a valle del quale à ̈ posto un ulteriore scambiatore 57. Il complesso miscelatore 53 e scambiatore 57, che cede calore all’esterno, fungono da assorbitore a pressione intermedia 200. La linea 19 passa opzionalmente, a monte dell’assorbitore 200, dal recuperatore di alta pressione 55. Una valvola di laminazione 31, prevista a monte del miscelatore 53, provvede ad equilibrare la pressione del liquido sulla linea 19 con quella imposta dalla valvola 50.

Un’uscita di soluzione arricchita dal miscelatore 53 à ̈ connessa da una settima linea 20 al miscelatore 52, su cui à ̈ prevista la valvola di laminazione 30. Tale linea, su cui à ̈ presente lo scambiatore 57, scambia calore con il recuperatore di bassa pressione 54 (se previsto).

Il funzionamento del trovato à ̈ evidente per un tecnico del ramo e non verrà quindi descritto.

Si sono descritte varie forme di realizzazione dell’invenzione ma altre potranno essere concepite sfruttando lo stesso concetto innovativo. Tutte le componenti descritte potranno essere sostituite da elementi tecnici equivalenti. Inoltre il refrigerante e il liquido in cui esso viene assorbito potranno essere qualsiasi in conformità con le esigenze tecniche richieste.

La nuova idea à ̈ in linea di principio applicabile a un qualsiasi ciclo multistadio dove la tecnica nota prevede uno split sul refrigerante. Secondo l’invenzione il ciclo viene modificato eliminando lo split sul refrigerante e facendo passare tutto il refrigerante sull’assorbitore di bassa pressione o se si preferisce sull’assorbitore di pressione intermedia che à ̈ l’altro lato dello stesso scambiatore.

Si deve poi aggiungere un separatore liquido vapore, in cui la linea del vapore va all’assorbitore a pressione intermedia e il liquido procede verso l’evaporatore.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Pompa di calore ad assorbimento comprendente un generatore (2) o desorbitore che genera del vapore di un primo fluido alimentato tramite una prima linea (3) a un primo condensatore (4) in contatto di scambio termico con un fluido di trasmissione, a valle del condensatore essendo prevista una seconda linea (6) prevista per alimentare del liquido refrigerante a un evaporatore (7) a monte del quale à ̈ prevista una prima valvola di laminazione (5), un’uscita (7B) dell’evaporatore essendo connessa da una terza linea (8) ad un ingresso di vapore (52A) di un miscelatore parte di un gruppo assorbitore a bassa pressione (100), il gruppo assorbitore (100) prevedendo un’uscita di una soluzione arricchita (10C) connessa ad un’aspirazione di una pompa (14) una cui mandata à ̈ connessa da una quarta linea (15) di alimentazione di soluzione al generatore, il generatore prevedendo un’uscita di soluzione povera (2C) connessa da una sesta linea (19) munita di almeno una valvola di laminazione (30, 31) ad un ingresso di soluzione povera di alimentazione dell’assorbitore (100, 200-100), caratterizzato dal fatto che la seconda linea (6) à ̈ posta in contatto di scambio termico con l’assorbitore a bassa pressione (100) e che prevede a monte dello stesso una valvola di laminazione (50), la linea 6 sfociando in un separatore liquido/vapore (51), un’uscita di liquido del separatore (51A) alimentando tramite una terza linea (6A) l’evaporatore (7), l’uscita di vapore del separatore (51) sfociando in un gruppo assorbitore a pressione intermedia (200).
2. 2. Pompa di calore secondo la rivendicazione 1, in cui un’uscita dell’assorbitore a pressione intermedia (200) à ̈ connessa all’aspirazione di una seconda pompa (14A), la cui mandata à ̈ connessa ad una ottava linea (17) sfociante nel generatore (2), la quarta linea (15) sfociando nel miscelatore (53) e quindi allo scambiatore (57), che definiscono il gruppo assorbitore a pressione intermedia (200).
3. 3. Pompa di calore secondo la rivendicazione 1, in cui la sesta linea (19) sfocia nell’assorbitore a pressione intermedia (200), l’uscita dell’assorbitore a pressione intermedia essendo connessa da una settima linea (20) dotata di una valvola di laminazione (30) all’ingresso dell’assorbitore a bassa pressione (100).
4. 4. Pompa secondo la rivendicazione 2 in cui la quarta (15) e la sesta (19) linea sono poste in comunicazione di scambio termico tramite uno scambiatore che funge da rigeneratore a bassa pressione (54).
5. 5. Pompa secondo la rivendicazione 2 o 4 in cui la sesta linea (19) e l’ottava linea (17) sono poste in comunicazione di scambio termico tramite uno scambiatore che funge da rigeneratore ad alta pressione (55).
6. 6. Pompa secondo la rivendicazione 3 in cui la quarta (15) e la sesta (19) linea sono poste in comunicazione di scambio termico tramite uno scambiatore che funge da rigeneratore a alta pressione (55).
7. 7. Pompa secondo la rivendicazione 3 o 6 in cui la quarta linea (15) e la settima linea (20) sono poste in comunicazione di scambio termico tramite uno scambiatore che funge da rigeneratore a bassa pressione (54).
8. 8. Pompa secondo una o più delle rivendicazioni precedenti in cui la seconda (6) e la terza linea (8) sono poste in comunicazione di scambio termico tramite uno scambiatore (34).
9. 9. Pompa secondo una o più delle rivendicazioni precedenti in cui à ̈ prevista una valvola di non ritorno (32) sulla terza linea (16).
10. 10. Metodo per aumentare la stabilità e il rendimento di una pompa di calore ad assorbimento multistadio, caratterizzato dal fatto di abbassare la pressione di un liquido refrigerante in uscita da un condensatore, raffreddare con tale liquido un assorbitore a bassa pressione (100), separare il fluido che ha raffreddato l’assorbitore (100) in un flusso di liquido ed in uno di vapore e indirizzare il liquido verso l’evaporatore e il vapore verso un assorbitore a pressione intermedia (200).
11. 11. Metodo secondo la rivendicazione precedente in cui la distribuzione in due flussi del refrigerante avviene separando la fase liquida da quella vapore ad una pressione intermedia.