ITPD940136A1 - Impianto per la produzione di energia mediante variazione di concentrazione di un soluto in un solvente - Google Patents

Abstract

Il presente trovato si riferisce ad un impianto per la produzione di energia mediante variazioni di concentrazione di un soluto in un solvente. Il presente impianto si caratterizza per il fatto di comprendere collegati o isolati idraulicamente e termicamente, una prima apparecchiatura per operazioni diffusionali con in entrata uno o più flussi di almeno una soluzione con un soluto presentante solubilità particolarmente sensibile a variazioni di temperatura. Tale soluzione realizza in uscita almeno due primi flussi a concentrazioni diverse del sopra menzionato soluto. L'impianto comprende ancora: almeno un dispositivo di dosaggio, almeno una seconda apparecchiatura per operazioni diffusionali per il passaggio di materia secondo il fenomeno dell'osmosi tra i sopra citati primi flussi. La seconda apparecchiatura presenta inoltre in uscita almeno due secondi flussi dei quali almeno uno è convogliato in entrata ad un gruppo generatore. L'impianto infine è distribuito in modo che la prima apparecchiatura sia collocata in una prima zona a temperatura inferiore rispetto ad una seconda zona ove è collocata la seconda apparecchiatura realizzando ciò mediante mezzi frigorigeni e/o fonti di calore.

Description

"IMPIANTO PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA MEDIANTE VARIAZIONE DI CONCENTRAZIONE DI UN SOLUTO IN UN SOLVENTE"

DESCRIZIONE

Il presente trovato si riferisce ad un impianto per la produzione e/o assorbimento di energia mediante variazioni di concentrazione di un soluto in un solvente.

E' noto che la seconda legge della termodinamica pone dei limiti invalicabili alla quantità di energia sfruttabile in un ciclo dal quale ci si prefigge di ottenere lavoro.

Giacché risulta difficoltoso in campo pratico esprimersi in termini di entropia si preferisce adottare il concetto di exergia o energia utilizzabile ed anergia o energia inutilizzabile, entrambi ad essa collegati.

L'energia è un parametro che si ricava dalle conclusioni alle quali si perviene studiando il ciclo ideale di Carnot il quale stabilisce in linea teorica la massima energia sfruttabile in un ciclo termico stabilite che siano la temperatura massima e la temperatura minima di lavoro.

L' energia o energia inutilizzabile si ricava per differenza tra l'energia globale messa in gioco nel ciclo sottraendo l'exergia di questo.

Ora essendo evidente che l'exergia sarà tanto maggiore quanto maggiore sarà la differenza di temperature alle quali il ciclo lavora si può dire che, in un certo senso, l'energia si manifesta, ai fini dell 'utilizzo, con differenti qualità a seconda delle temperature a cui viene fornita.

Complessi bilanci energetici ed economici spesso rendono inutilizzabili vaste fonti di calore proprio perchè il loro basso livello exergetico non risulta sufficiente a compensare i costi di impianto.

La crisi energetica però ha costretto inevitabilmente a porre l'attenzione su queste grandi riserve di energia le quali raramente trovano a tutt'oggi impianti il cui costo giustifichi lo sviluppo e la ricerca in questa direzione.

Compito principale del presente trovato è quello di realizzare un impianto per la produzione e/o assorbimento di energia il quale renda economicamente utilizzabili fonti di calore a basso livello exergetico.

In relazione al compito principale uno scopo del presente trovato è quello di realizzare un impianto che non presenti problemi di sicurezza per l'ambiente e per gli operatori.

Ancora uno scopo del presente trovato è quello di realizzare un impianto che richieda investimenti limitati o comunque controbilanciati da rendimenti competitivi con gli impianti equivalenti.

Altro scopo del presente trovato è quello di realizzare un impianto facilmente adattabile alle esigenze di uno o più utenti, di intere comunità ed eventualmente di attività produttive .

Ulteriore scopo del presente trovato è quello di realizzare un impianto che non richieda una manutenzione ed un controllo accurati ed assidui.

Non ultimo scopo del presente trovato è quello di realizzare un impianto producibile con tecnologie note o comunque con tecnologie ottenibili mediante normale sviluppo di quelle attualmente presenti.

Il compito principale, gli scopi preposti ed altri scopi ancora che più chiaramente appariranno in seguito, vengono raggiunti da un impianto per la produzione di energia mediante variazioni di concentrazione di un soluto in un solvente caratterizzato dal fatto di comprendere, idraulicamente e termicamente collegati o isolati, una prima apparecchiatura per operazioni diffusionali con in entrata uno o più flussi di almeno una soluzione con un soluto presentante solubilità particolarmente sensibile a variazioni di temperatura ed in uscita almeno due primi flussi a concentrazioni diverse di detto soluto, almeno un dispositivo di dosaggio, una seconda apparecchiatura per operazioni diffusionali per il passaggio di materia secondo il fenomeno dell'osmosi tra detti due primi flussi detta seconda apparecchiatura presentando in uscita almeno due secondi flussi dei quali almeno uno è convogliato in entrata ad un gruppo generatore, essendo detta prima apparecchiatura collocata in una prima zona a temperatura inferiore rispetto ad una seconda zona ove è collocata almeno detta seconda apparecchiatura, essendo presenti mezzi frigorigeni e/o fonti di calore.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del presente trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di una sua forma realizzativa, illustrata a titolo indicativo, ma non per questo limitativo della sua portata, nelle allegate tavole di disegni in cui:

la fig. 1 illustra il lay-out di un impianto secondo il trovato;

la fig. 2 illustra lo schema idraulico di un particolare di una possibile variante realizzativa di un impianto secondo il trovato.

Con riferimento alla figura 1, un impianto per la produzione di energia mediante variazione di concentrazione di un soluto in un solvente viene complessivamente indicato con il numero 10.

Qui di seguito verranno elencati con una breve descrizione i componenti compresi nell'impianto 10 mentre di seguito verrà descritta la loro reciproca connessione sia termica che idraulica.

Apparecchio cristallizzatore 11: è l ' apparecchio nel quale si effettua la cristallizzazione da soluzioni.

Come è noto la cristallizzazione è quel processo per cui prendendo come esempio semplificativo una soluzione con un soluto disciolto in un solvente, mediante opportune metodologie si realizza la precipitazione del soluto sotto forma di cristalli con conseguente impoverimento in termini di concentrazione della soluzione.

La cristallizzazione realizzando una soluzione più diluita e dei cristalli pressoché puri di soluto determina una differenza di concentrazione se poi vi è separazione in almeno due flussi dei quali uno è costituito dalla soluzione diluita mentre l'altro da soluzione con 1 cristalli di soluto precipitati.

Le apparecchiature per la cristallizzazione sono da tempo in sè note e impiegate in campo industriale e se ne possono trovare sul mercato realizzate in parecchi modelli e con diverse metodologie di processo.

Nel caso qui descritto per l'apparecchio cristallizzatore 11 si adotta una apparecchiatura di cristallizzazione di tipo Howard costituita da una carcassa troncoconica attraversata dal basso in alto dalla soluzione da cristallizzare mentre la parte superiore si allarga in una sezione conica molto ampia, inoltre a completamento è presente una camicia esterna di raffreddamento e serpentini interni, sempre di raffreddamento.

Il cristallizzatore di tipo Howard presenta un'ulteriore camera all'interno attraversata da fluido raffreddante .

I cristalli una volta formatisi sono mantenuti in sospensione dalla corrente che fluisce dal basso verso l'alto in modo da impedire la separazione fino a che esse non abbiano raggiunto una dimensione voluta.

In sintesi l'apparecchio cristallizzatore 11 risulta essere in continuo e con una asportazione selettiva dei cristalli .

Pompa dosatrice 12: in questo caso costituita da una semplice pompa volumetrica a più palette.

Celle 13: nel nostro caso ne sono state illustrate nelle figure tre e sono costituite da apparecchiature normalmente impiegate nel campo dell'ultrafiltrazione, microfiltrazione ecc. sfruttando la semi permeabilità di membrane in sè note.

Nell'impianto 10 tali celle 13 vengono ovviamente usate in senso inverso rispetto al loro normale uso di filtrazione, infatti mentre in questo tramite una pressione di mandata e la costrizione a far passare il fluido attraverso le membrane si ottiene la filtrazione, nel caso dell'impianto 10 queste vengono usate immettendo due flussi a diversa concentrazione e sfruttando il passaggio attraverso le membrane provocato dalla tensione che il gradiente di concentrazioni instaura.

Nel mercato esistono una vastissima quantità di modelli sia di celle in quanto tali sia di membrane per cui si rimanda ad una valutazione quantitativa il numero e la tipologia di celle 13 che possano utilmente lavorare con l'apparecchio cristallizzatore 11.

Turbina 14: in questo caso necessariamente sarà una turbina idraulica la quale quanto a tipologia è determinata valutando la potenza complessiva o meglio la pressione in entrata realizzabile mediante le celle 13.

Condotti 15 e 16: realizzano il trasporto del fluido operativo tra i vari componenti costituenti l'impianto 10.

Fonti di calore 17: possono essere le più svariate: dall'energia solare a flussi di recupero da altre produzioni industriali e/o termiche.

Mezzi frigorigeni 16: anch'essi possono essere delle più varie tipologie tra le quali sono da ricordare ad esempio le pompe di calore o acque di fiumi, laghi ecc.

Valvole di non ritorno 19 di tipo in sè noto (in fig. 1 le valvole 19 tratteggiate sono relative a possibili parzializzazioni dell'impianto).

Prima zona 20: relativa al campo di influenza delle fonti di calore 17.

Seconda zona 21: relativa al campo di influenza dei mezzi frigorigeni 18.

Il fluido circolante nella presente versione realizzativa è costituito da una soluzione di acqua e nitrato di potassio (non tossico).

Il nitrato di potassio presenta una variazione di concentrazione la quale, espressa in grammi disciolti in cento grammi di solvente (acqua in questo caso), risulta pari a 13,3 a 0 gradi centigradi e a 246 a 100 gradi centigradi .

Qui di seguito passiamo alla descrizione del funzionamento dell'impianto 10.

L'apparecchio cristallizzatore 11 effettua una separazione in due primi flussi del fluido operativo circolante.

In particolare i due primi flussi all'uscita sono costituiti uno da una soluzione molto diluita mentre l'altro è costituito sempre da tale soluzione molto diluita la quale però trascina con sè i cristalli precipitati per opera dell'apparecchio cristallizzatore 11.

Il flusso di soluzione diluita trascinante i cristalli precipitati viene spinto mediante la pompa dosatrice 12 lungo il condotto 15 fino a che entrando in una prima zona interessata dalle fonti di calore 17, per effetto dell'aumento di solubilità indotto dalla temperatura, provoca il ridiscioglimento dei cristalli con conseguente ottenimento di un flusso a concentrazione elevata.

Questo flusso ad elevata concentrazione di soluto viene immesso nella prima cella 13 e proseguendo il suo percorso all'interno delle celle 13 viene diluito, con trasporto di materia, secondo il fenomeno dell'osmosi, da un controflusso costituito dall'altro primo flusso uscente dall'apparecchio cristallizzatore 11 costituito dalla sola soluzione diluita il quale viene direttamente immesso nelle celle 13.

Il passaggio di materia tra i due flussi avviene mediante le membrane semipermeabili sopra descritte ma non illustrate nelle figure.

Àncora è ovvio che tale passaggio di solvente provochi nella soluzione a più alta concentrazione di soluto un incremento di pressione.

L'incremento di pressione realizzato viene sfruttato una volta attraversate le celle 13, in entrata alla turbina 14.

L'azionamento della turbina 14 darà luogo mediante eventualmente un generatore elettrico non illustrato nelle figure alla produzione di energia.

I due primi flussi che dopo il passaggio delle celle e della pompa danno luogo a due secondi flussi con rispettive differenze di concentrazione di soluto quasi trascurabili vengono collegati in entrata all'apparecchio cristallizzatore 11

E' da notare come le fonti termiche 17 che nel caso qui descritto interessino quasi esclusivamente una prima zona 20 ristretta alle celle 13 e alla turbina 14, mentre i mezzi frigorigeni 18 risultano limitati nel loro campo di azione in una seconda zona 21 interessante pressoché esclusivamente l'apparecchio cristallizzatore 11.

Inoltre le valvole di non ritorno 19 impediscono riflussi del fluido operativo.

Non illustrata nelle figure è presente una unità di controllo di processo comprendente un microprocessore ricevente in ingresso segnali di pressione, temperatura, flusso e concentrazione della soluzione, stato delle valvole (di solito elettrovalvole) in ingresso ed in uscita dei tubi porosi, delle celle e degli apparati di iniezione (pompa di dosaggio) del soluto entro i tubi porosi, della quantità di energia erogata dal gruppo generatore (turbina e generatore elettrico) e mandante in uscita i segnali di controllo per i1 comando.

Tale unità di controllo si rende necessaria onde ottimizzare il rendimento dell’impianto 10 in relazione al salto termico utilizzabile.

Infine si osserva come i componenti all'interno di una delle corrispondenti zone 21 e 22 possano essere collocati in ambienti le cui condizioni termiche variano a seconda di esigenze realizzative contingenti e come nella fig. 1 con il tratteggio siano state indicate possibili varianti di circuitazione per i condotti 15 e 16.

Con particolare riferimento alla figura 2, una circuitazione idraulica connettente le celle 13 e costituente una possibile variante rispetto alla connessione illustrata nella figura 1 è indicata complessivamente con il numero 100.

Da osservare è che in realtà la circuitazione complessiva nelle celle in questa variante è costituita da due circuitazioni 100 uguali, una per il fluido ad alta concentrazione ad una per il fluido a bassa concentrazione tra le quali avviene lo scambio di materia all'interno delle celle 13.

In ognuna delle circuitazioni 100 le celle 13 sono collocate tra due condutture 101 parallele le quali sono collegate oltre che da condutture 102 attraversanti le celle 13 anche da condutture 103 disposte in parallelo tra loro e con le condutture 102.

Inoltre valvole 104 disposte sia nelle condutture 101 sia nelle condutture 103 consentono, mediante chiusure e aperture selettive comandate dall'unità di controllo, una connessione tra celle 13 in parallelo, in serie, parzialmente in serie e parallelo.

In pratica si è constatato come siano stati raggiunti gli scopi preposti.

In particolare è da enfatizzare come soluti quale il nitrato di potassio o altri equivalenti, essendo a rischio praticamente nullo di inquinamento e di tossicità possano consentire alla realizzazione di un impianto che non richieda particolari attenzioni quanto a controlli e a sicurezza con conseguente abbattimento dei costi di realizzazione.

Inoltre il presente impianto risulta compatibile con una gamma vastissima di fonti di calore e secondo i valori indicativi sopra citati per le variazioni di solubilità del soluto è evidente come possano essere sfruttati salti di temperatura effettivamente esigui non altrimenti sfruttabili con impianti equivalenti.

E' ancora da rimarcare poi come il lay-out dell'impianto illustrato nella descrizione sia indicativo essendovi già sul mercato o comunque sviluppabili attrezzature ed apparecchiature che possono consentire notevoli variazioni della disposizione e della collocazione dei componenti fermo restando che il principio ispiratore di base del trovato.

Il trovato così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo infatti come già accennato precedentemente le apparecchiature diffusionali possono già attualmente essere trovate in una elevata varietà di tipologie per le più svariate esigenze così per ciò che riguarda i dispositivi di pompaggio i mezzi frigorigeni e le fonti di calore.

Inoltre tutti i particolari sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti.

In pratica i materiali impiegati, purché compatibili con l'uso contingente, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1) Impianto per la produzione di energia median variazioni di concentrazione di un soluto in un so caratterizzato dal fatto di comprendere, idraulicamente e termicamente collegati o isolati, una prima apparecchiatura per operazioni diffusionali con in entrata uno o più flussi di almeno una soluzione con un soluto presentante solubilità particolarmente sensibile a variazioni di temperatura ed in uscita almeno due primi flussi a concentrazioni diverse di detto soluto, almeno un dispositivo di pompaggio, una seconda apparecchiatura per operazioni diffusionali per il passaggio di materia secondo il fenomeno dell'osmosi tra detti due primi flussi, detta seconda apparecchiatura presentando in uscita almeno due secondi flussi dei quali almeno uno è convogliato in entrata ad un gruppo generatore, essendo almeno detta prima apparecchiatura collocata in una prima zona a temperatura inferiore rispetto ad una seconda zona ove è collocata almeno detta seconda apparecchiatura essendo presenti mezzi frigorigeni e/o fonti di calore.
2. 2) Impianto come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta almeno una prima apparecchiatura comprende almeno un apparecchio cristallizzatore.
3. 3) Impianto come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta almeno una seconda apparecchiature comprende almeno una cella diffusionale di tipo in sè noto impiegata nel campo dell'ultrafiltrazione, microfiltrazione, ecc. detta cella diffusionale lavorando in senso inverso rispetto al suo normale uso.
4. 4) Impianto come alla rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto di comprendere più celle diffusionali collegate tra loro in serie e/o in parallelo.
5. 5) Impianto come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette fonti di calore sono termicamente collegate ad almeno un tratto interessante almeno parzialmente detta almeno una seconda apparecchiatura.
6. 6) Impianto come alla rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che dette fonti di calore sono termicamente collegate con detto almeno un dispositivo di pompaggio.
7. 7) Impianto come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi frigorigeni sono termicamente collegati con detta almeno una prima apparecchiatura.
8. 8) Impianto come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto gruppo generatore comprende almeno una macchina motrice del tipo turbina idraulica.
9. 9) Impianto come ad una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere almeno una unità di controllo dei parametri di processo comprendente un microprocessore ricevente in ingresso segnali di pressione, temperatura, flusso e concentrazione della soluzione, stato delle valvole in ingresso ed in uscita dei tubi porosi, delle celle e degli apparati di dosaggio (pompa) del soluto entro i tubi porosi, della quantità di energia erogata dal gruppo generatore e mandante in uscita i segnali di controllo per il comando.
10. 10) Impianto come ad una o più delle rivendicazioni precedenti, che si caratterizza per quanto descritto ed illustrato nelle allegate tavole di disegni.