ITMI20110714A1 - Scambiatore di calore per un impianto geo-termico, e relativo impianto, atti a garantire lo sfruttamento di fonti energetiche rinnovabili - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce agli impianti per l’utilizzazione, la trasformazione e lo stoccaggio di energia ricavata da fonti energetiche rinnovabili. In particolare l’invenzione si riferisce ad un impianto che utilizza un sistema integrato di fonti rinnovabili, e più specificatamente l’irraggiamento del sole e la temperatura del terreno ad una conveniente profondità rispetto alla superficie del suolo.

Il cuore della presente invenzione à ̈ uno scambiatore di calore, di nuovo tipo, che lavora interrato ad una conveniente profondità rispetto alla superficie del suolo, e che consente di recuperare il calore fornito da una fonte energetica, preferibilmente ma non necessariamente di tipo rinnovabile, di cedere questo calore ad un dispositivo utilizzatore e di immagazzinare almeno parte del calore sottratto alla fonte energetica per un utilizzo posticipato a quando detta fonte energetica non à ̈ disponibile.

Con questo scambiatore il Richiedente ha trovato un nuovo modo di integrazione reciproca di alcune fonti rinnovabili in base al quale viene raggiunto un notevole grado di autosufficienza giornaliera dell’impianto, dovunque sia geograficamente ubicato detto impianto. Tale autosufficienza viene in particolare conseguita grazie all’accumulo di energia quando l’energia fornita da dette fonti à ̈ sovrabbondante rispetto alle necessità ed al suo recupero quando quella fornita da dette fonti à ̈ inferiore al consumo richiesto. Più specificatamente, l’energia alternativamente accumulata e recuperata à ̈ energia termica.

In un suo primo aspetto l’invenzione riguarda pertanto uno scambiatore di calore per l’uso in un impianto geo-termico per lo sfruttamento energetico di fonti rinnovabili caratterizzato dal fatto di essere esso stesso un accumulatore di calore per lo stoccaggio e il rilascio di detto calore secondo necessità.

In un suo secondo aspetto l’invenzione riguarda anche un impianto per la produzione di energia a scopo industriale e/o domestico, caratterizzato dal fatto di comprendere uno scambiatore di calore secondo l’invenzione, interrato con la sua superficie superiore ad una profondità non inferiore a 3 metri dal livello del suolo.

Ad ogni modo la presente invenzione può essere meglio compresa dalla descrizione che segue e con l’aiuto delle figure qui allegate, fornite a scopo esclusivamente esemplificativo e non limitativo, dal momento che altre forme di realizzazione sono comunque possibili, nel rispetto e nell’ambito della definizione dello scambiatore e dell’impianto secondo le rivendicazioni che seguono. Tali figure illustrano la struttura dello scambiatore e lo schema di funzionamento dell’impianto secondo l’invenzione, evidenziandone gli elementi costitutivi e il loro reciproco collegamento. Tuttavia gli elementi costitutivi non vengono descritti in dettaglio nei loro aspetti costruttivi essendo dispositivi e azionamenti noti nell’arte o comunque facilmente individuabili e definibili da ogni esperto del settore. Più specificatamente:

la figura 1 illustra una vista frontale, schematica, di una delle piastre che costituiscono gli elementi costitutivi dello scambiatore secondo l’invenzione, la figura 2 illustra, in vista prospettica, il pacco di piastre che definisce lo scambiatore secondo l’invenzione,

la figura 3 illustra, in vista frontale, un possibile andamento delle serpentine ricavate in ciascuna piastra,

la figura 4 illustra, in sezione frontale schematica, l’impianto secondo l’invenzione, la figura 5 illustra, in sezione frontale schematica, una diversa forma di attuazione dello scambiatore di figura 1 con ingressi e uscite dalle serpentine disposte in posizione centrale rispetto alla piastra,

la figura 6 illustra, in sezione frontale schematica, una forma alternativa di realizzazione della piastra di figura 3 con le due canalizzazioni (una di ingresso e una di uscita) in posizione centrale ma disassata rispetto all’asse della piastra.

Con riferimento alla figura 1, lo scambiatore 1 comprende un pacco di piastre, delle quali solo la piastra frontale 2 à ̈ visibile. Le piastre hanno preferibilmente forma quadrata o rettangolare, cioà ̈ sono delimitate da due coppie di lati opposti (3, 4; 5, 6) uguali e paralleli. In un prototipo costruito dal Richiedente ciascuna piastra ha dimensioni, in millimetri, pari a 1500x750x1,5 e cioà ̈ i lati superiore ed inferiore, rispetto al suo posizionamento verticale nell’impianto misurano 1500 mm, i lati laterali misurano 750 mm mentre lo spessore della piastra à ̈ pari ad 1,5 mm. Detto prototipo comprende poi dieci piastre, comunque il tecnico dell’arte non avrà alcuna difficoltà per decidere le misure e la quantità di piastre necessarie in rapporto alle desiderate prestazioni per l’impianto che intende costruire.

Ciascuna piastra à ̈ costruita convenientemente con la tecnica usuale nota come Roll-Bond. Questa consiste nell’assemblare insieme, mediante saldatura, due sottili fogli metallici affiancati. I suddetti fogli metallici sono preferibilmente di alluminio o acciaio o lamiera zincata, cioà ̈ di materiale scelto in relazione alle prestazioni richieste e al tipo e al grado di usura a cui saranno sottoposti in esercizio, nell’impianto. Su almeno uno di detti fogli, sulla sua superficie affacciata all’altro foglio, à ̈ disegnato con un materiale che inibisce l’incollaggio fra i due fogli, un circuito, preferibilmente una serpentina, che riproduce l’andamento della canalizzazione che dovrà essere ottenuta fra i due fogli.

Insufflando aria in pressione fra i due fogli accoppiati, la parete di almeno uno dei due fogli, lungo la pista disegnata col materiale inibitore di attacco, si deforma, dato il minimo spessore del foglio, dilatandosi verso l’esterno e realizzando in tal modo la voluta canalizzazione. Nella piastra secondo l’invenzione, preferibilmente, la suddetta canalizzazione comprende (figura 3) una pluralità di serpentine 7, sostanzialmente sviluppate sull’intera superficie della piastra, tutte aventi il medesimo ingresso 8 e la medesima uscita 9.

Preferibilmente, l’ingresso 8 e l’uscita 9 di detta canalizzazione sono disposte alle opposte estremità della piastra, sul medesimo lato 3 anche se naturalmente sono possibili altre soluzioni, ad esempio con le entrate 8 e le uscite 9 disposte dalla medesima parte della piastra, oppure al centro della stessa, e sul medesimo lato 3 (figure 5 e 6) o sui lati opposti 3 e 4.

Preferibilmente, le piastre sono disposte nel pacco in modo da non allineare fra loro gli ingressi 8 e le uscite 9 di dette piastre, lasciandole alternativamente scalate fra loro sulla medesima superficie del pacco, preferibilmente quella superiore, e sulla medesima estremità di detto pacco; in questo modo a ciascuna estremità del pacco sono disponibili due file affiancate di ingressi reciprocamente scalati fra loro. Tutti gli ingressi giacenti sulla medesima fila sono convogliati in una sola canalizzazione, rispettivamente 10, 11, 12, 13.

I collegamenti sono stabiliti in modo che gli ingressi della fila 10 corrispondano alle uscite della fila 12 e quindi gli ingressi della fila 13 corrispondano alle uscite della fila 11. I termini qui utilizzati di ingresso e di uscita individuano il senso di circolazione del fluido nelle piastre cosicché, nello scambiatore secondo l’invenzione circolano due fluidi in contro-fase, cioà ̈ in direzione contraria l’uno all’altro; il primo fluido entra nella canalizzazione 10 ed esce dalla canalizzazione 12, il secondo fluido entra nella canalizzazione 13 ed esce dalla canalizzazione 11.

In una diversa forma di attuazione dello scambiatore secondo l’invenzione (figura 6) le piastre sono inserite nel pacco alternativamente orientate in direzioni opposte cosicché il disassamento delle canalizzazioni in ciascuna piastra genera un pacco di piastre che presenta quattro file di canali, similmente a quanto illustrato in figura 2. Quanto a detti fluidi, essi sono fluidi noti nell’arte, scelti in relazione al tipo di impianto ed ai dispositivi di assorbimento e dispersione di energia collegati con detto impianto: in particolare il fluido usato può essere il fluido comunemente noto come “acqua tecnica†, oppure un fluido contenente antigelo od anche una miscela di liquido e gas. Nell’impianto secondo l’invenzione, di tipo geo-termico per lo sfruttamento energetico di fonti rinnovabili, una canalizzazione di ingresso e la corrispondente canalizzazione di uscita sul l’estremità opposta del pacco sono collegate con un dispositivo atto a ricevere fluido freddo da riscaldare, l’altra canalizzazione di ingresso, e la corrispondente canalizzazione di uscita sul l’estremità opposta del pacco sono collegate con un dispositivo atto a ricevere fluido caldo da raffreddare.

Come detto sopra, i due fluidi viaggiano in direzioni opposte entro lo scambiatore, massimizzandone così il rendimento, in quanto lo scambio di calore fra i due fluidi che si incrociano viene favorito dal divario di temperatura fra i due fluidi, sempre massimo in ciascun punto della canalizzazione entro la piastra.

Preferibilmente, secondo l’invenzione le piastre sono annegate in un materiale ad elevata capacità termica che si inserisce fra piastra e piastra e ricopre e ingloba tutto il pacco di piastre.

Sempre più preferibilmente, questo materiale ad elevata capacità termica comprende una miscela di cemento e bentonite, preferibilmente additivata con sabbia silicea e/o quarzifera, allo scopo di massimizzare la conducibilità termica della miscela.

La miscela scelta dal tecnico può essere preparata caso per caso, di volta in volta secondo necessità ma il tecnico troverà più conveniente utilizzare prodotti premiscelati già disponibili sul mercato.

Lo scambiatore di calore prima descritto ha trovato vantaggiosa applicazione in un impianto di tipo geo-termico, per la produzione di energia a scopo industriale e/o domestico, in particolare tramite l’utilizzo di fonti rinnovabili.

L’impianto secondo l’invenzione (figura 4) comprende un primo dispositivo 14 atto a ricevere fluido freddo da restituire a temperatura più elevata, un secondo dispositivo 15 atto a ricevere fluido caldo da restituire a temperatura più bassa e lo scambiatore di calore 1 già descritto.

Il suddetto dispositivo 14 può essere un pannello solare termico, oppure un pannello fotovoltaico ibrido, atti a recuperare calore dall’irraggiamento solare, oppure una qualunque fonte di calore che necessiti di essere raffreddata, come ad esempio il radiatore di un motore a combustione interna o altre simili apparecchiature.

Il raffreddamento viene ottenuto facendo circolare nella canalizzazione 10-12, tramite una pompa 16, un fluido F1. Tale fluido, rilasciato dallo scambiatore all’uscita 12, freddo, viene inviato al dispositivo 14 dove si riscalda asportando calore dal dispositivo e quindi raffreddandolo. Il fluido, ora ad elevata temperatura, entra nelle piastre dello scambiatore dall’ingresso 10 e durante l’attraversamento delle piastre cede calore al secondo fluido circolante in 13-11, in direzione opposta a quella di F1, raffreddandosi, dopo di ché viene nuovamente inviato al dispositivo 14. Il secondo fluido F2, mantenuto in circolazione nell’impianto di figura 4 tramite una pompa 19, viene utilizzato per cedere calore ad un terzo fluido, circolante nel dispositivo 15, ad esempio una pompa di calore, dove detto terzo fluido deve essere riscaldato, o raffreddato, per una serie di possibili utilizzi tecnici, del resto così noti da non richiedere una specifica descrizione. Si legga ad esempio la co-pendente domanda di brevetto del medesimo richiedente N° MI2010A000458, depositata il 22 marzo 2010.

Nel caso illustrato, detto terzo fluido entra, freddo, nel dispositivo 15 dall’ingresso 17 ed esce, caldo, dall’uscita 18.

In questo caso il secondo fluido F2, proveniente freddo dal dispositivo 15, entra nello scambiatore 1 dall’ingresso 13 e ne esce caldo dall’uscita 11 per ritornare al dispositivo 15. Infatti, durante l’attraversamento dello scambiatore, ha sottratto calore al fluido F1 circolante in contro-fase.

Secondo l’invenzione, lo scambiatore 1 à ̈ utilizzato interrato, con la superficie superiore 3 del pacco di piastre posta ad una profondità p, rispetto al suolo, non inferiore a 3 metri.

A questa profondità la temperatura del suolo à ̈ sostanzialmente costante, dell’ordine di 10 C°, indipendentemente dalle condizioni climatiche ambientali. In questo modo il calore proveniente dal dispositivo 14 non riscalda solo il fluido F2 ma anche lo scambiatore in se stesso ed il terreno circostante, e massimamente quando la circolazione del fluido F2 à ̈ ridotta o totalmente assente quale ne sia il motivo. Data l’elevata capacità termica del terreno e sopratutto del materiale in cui à ̈ annegato lo scambiatore 1, questo calore si mantiene inalterato per un notevole tempo e può cosi essere recuperato dal fluido F2 anche quando la fonte del dispositivo 14 à ̈ indisponibile per qualunque motivo.

L’invenzione descritta offre importanti vantaggi qualitativi, economici ed ambientali, in particolare atti a ridurre i rischi d’inquinamento. Infatti, la soluzione di uno scambiatore a tre/quattro metri sotto terra costituisce una conveniente alternativa economica alle estese reti di tubi poste a due metri sotto terra ed una non solo più economica ma anche più sicura alternativa alle note sonde geotermiche. Queste si spingono fino ad un centinaio di metri sotto terra, e per raggiungere questa profondità le sonde devono attraversare ameno una falda freatica con possibilità di inquinamento della medesima nel caso che, in seguito alla rottura dei tubi della sonda, il fluido in essa circolante si disperda entro la falda.

Da quanto precede risulterà innanzitutto chiaro come l’invenzione abbia messo a disposizione un nuovo e originale metodo di integrazione reciproca di diverse fonti energetiche rinnovabili allo scopo di garantire l’autosufficienza energetica ad un impianto di sfruttamento di energia termica, indipendentemente dalla temperatura ambientale. Secondo l’invenzione tale metodo à ̈ caratterizzato dal fatto di accumulare calore, in particolare ricavato da fonti rinnovabili, nel terreno durante i periodi di sovrabbondanza di tale calore, rispetto alle necessità dell’impianto, per recuperarlo all’uso in detto impianto durante i periodi di carenza di detto calore.

Grazie alla reciproca integrazione delle fonti energetiche rinnovabili, e grazie alla conservazione ed al successivo recupero del calore accumulato, l’impianto può disporre di notevoli quantità di energia termica costanti e gratuite, così da garantire l’autosufficienza energetica ed economica dell’impianto indipendentemente dalla particolare ubicazione geografica, in paesi caldi oppure a clima temperato o anche freddo, e dall’avvicendarsi delle stagioni. Le fonti rinnovabili utilizzate, le apparecchiature e il metodo del loro utilizzo rendono l’impianto privo di emissioni di qualsiasi genere, in particolare nocive, nell’atmosfera e nelle acque superficiali e sotterranee. I costi di costruzione dell’impianto sono limitati in quanto vengono utilizzati in modo nuovo componenti tecnici noti da tempo nell’arte e quindi con elevate caratteristiche qualitative e di affidabilità.

In conclusione il costo di costruzione dell’impianto risulta ammortizzabile in tempi brevi e il costo di gestione lo rende particolarmente conveniente.

Nella presente descrizione non sono state di norma illustrate tutte le possibili alternative strutturali e dimensionali alle forme di attuazione dell’invenzione specificatamente descritte: non à ̈ infatti sembrato necessario espandersi nei dettagli costruttivi del sistema dell’invenzione in quanto ogni tecnico dell’arte, dopo le istruzioni qui date, non avrà difficoltà a progettare, scegliendo adeguatamente materiali e dimensioni, la soluzione tecnica più vantaggiosa. Queste varianti s’intendono tuttavia ugualmente comprese nell’ambito di protezione del presente brevetto, risultando tali forme alternative di per se stesse facilmente derivabili dalla descrizione qui effettuata del rapporto che lega ciascuna forma di attuazione con il risultato che l’invenzione vuole ottenere.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore per l’uso in un impianto geo-termico per lo sfruttamento energetico di fonti rinnovabili caratterizzato dal fatto di comprendere un pacco di piastre metalliche affiancate, ciascuna piastra essendo provvista di una canalizzazione per la circolazione di un fluido, l’ingresso e l’uscita di detta canalizzazione essendo disposte ad opposte estremità di detta piastra, gli ingressi e le uscite di dette piastre, sulla medesima estremità di detto pacco, essendo disposte intervallate fra loro, con l’ingresso in una piastra adiacente all’uscita della piastra affiancata, tutti gli ingressi e tutte le uscite, sulla medesima estremità del pacco essendo collegate fra loro in modo da confluire rispettivamente in un’unica canalizzazione di ingresso e in un’unica canalizzazione di uscita, una canalizzazione di ingresso e la corrispondente canalizzazione di uscita sul l’estremità opposta del pacco essendo collegate con un dispositivo atto a ricevere fluido freddo da riscaldare, l’altra canalizzazione di ingresso, e la corrispondente canalizzazione di uscita sul l’estremità opposta del pacco essendo collegate con un dispositivo atto a ricevere fluido caldo da raffreddare.
2. 2. Scambiatore di calore secondo rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che in almeno una di dette piastre la canalizzazione comprende una pluralità di serpentine, sostanzialmente sviluppate sull’intera superficie della piastra, tutte aventi il medesimo ingresso e la medesima uscita.
3. 3. Scambiatore di calore secondo rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che tutti gli ingressi e tutte le uscite di dette canalizzazioni sono disposte sulla medesima superficie superiore di detto pacco di piastre.
4. 4. Scambiatore di calore secondo rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che dette piastre sono annegate in un materiale ad elevata capacità termica.
5. 5. Scambiatore di calore secondo rivendicazione 4 caratterizzato dal fatto che detto materiale ad elevata capacità termica comprende miscele di cemento, bentonite e sabbia quarzifera e/o silicea.
6. 6. Impianto per la produzione di energia a scopo industriale e/o domestico, comprendente un primo dispositivo atto a ricevere fluido freddo da restituire a temperatura più elevata ed un secondo dispositivo atto a ricevere fluido caldo da restituire a temperatura più bassa, caratterizzato dal fatto di comprendere uno scambiatore di calore secondo la rivendicazione 1, collegato con detto primo dispositivo e con detto secondo dispositivo, i fluidi in arrivo da detti dispositivi circolando in contro-fase entro lo scambiatore, con detto scambiatore interrato con la sua superficie superiore ad una profondità rispetto al suolo non inferiore a 3 metri.
7. 7. Impianto per la produzione di energia a scopo industriale e/o domestico secondo la rivendicazione 6 caratterizzato dal fatto che detto dispositivo atto a ricevere fluido freddo da riscaldare à ̈ un pannello solare.
8. 8. Impianto per la produzione di energia a scopo industriale e/o domestico secondo la rivendicazione 6 caratterizzato dal fatto che detto dispositivo atto a ricevere fluido freddo da riscaldare à ̈ un pannello fotovoltaico.
9. 9. Impianto per la produzione di energia a scopo industriale e/o domestico secondo la rivendicazione 6 caratterizzato dal fatto che detto dispositivo atto a ricevere fluido freddo da riscaldare à ̈ il radiatore di un motore a combustione interna.
10. 10. Impianto per la produzione di energia a scopo industriale e/o domestico secondo la rivendicazione 6 caratterizzato dal fatto che detto dispositivo atto a ricevere fluido caldo da raffreddare utilizza il calore di detto fluido in una pompa di calore.