ITPD970221A1 - Impianto frigorifero - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Il presente trovato ha per oggetto un impianto frigorifero, particolarmente ma non esclusivamente studiato per la refrigerazione di banchi espositori da supermercato .

In accordo con una prima soluzione impiantistica nota nell'ambito tecnico del trovato, gli evaporatori di fluido frigorigeno associati ai banchi refrigerati sono collegati ad una unità refrigerante (che comprende uno o più compressori di fluido frigorigeno e relativi condensatori) posta in un ambiente (sala macchine) separato da quello in cui sono collocati i banchi espositori, in modo tale da evitare di riversare nell'ambiente ove sono posizionati gli evaporatori il calore di condensazione del fluido frigorigeno ad alta pressione. Ciò tuttavia comporta che il collegamento tra gli evaporatori dei banchi refrigerati e la sala macchine sia effettuato con tubazioni aventi diametro relativamente elevato e contenenti frigorigeno ad alta pressione, implica elevate quantità di detto fluido circolante in tali tubazioni e richiede manodopera specializzata per l'installazione dell'impianto e la realizzazione dei collegamenti richiesti.

Sono parimenti note soluzioni impiantistiche in cui il calore di condensazione di unità installate in prossimità degli evaporatori viene raccolto ed allontanato per il tramite di un circuito idraulico per essere ceduto all'aria esterna, con scambio a secco oppure con torre evaporativa.

Il secondo metodo sopra indicato comporta la necessità di disporre presso i banchi refrigerati di portate d'acqua relativamente elevate, la cui movimentazione implica a sua volta il ricorso a tubazioni di diametro relativamente grosso, poiché il salto termico utilizzabile è molto basso (5°K) se si vogliono evitare temperature di condensazione troppo alte. Elevate portate d'acqua comportano a loro volta la necessità di un sistema di pompaggio relativamente importante, con i relativi costi di gestione e di primo impianto, la necessità di uno scambiatore acqua/aria di grandi dimensioni o la necessità di utilizzare torri di evaporazione ad elevata portata per il raffreddamento dell'acqua in circolo. In entrambe le tipologie di impianti noti sopra discussi inoltre non è possibile recuperare economicamente l'energia ceduta dal sistema di refrigerazione, essendo il livello termico troppo basso (circa 40°C), e solo nel primo caso è economicamente conveniente recuperare la piccola parte di energia termica ceduta dal refrigerante durante la fase di desurriscaldamento che precede la condensazione .

Il presente trovato si propone il problema tecnico di mettere a disposizione un impianto frigorifero strutturalmente e funzionalmente concepito così da ovviare ai problemi lamentati con riferimento alla tecnica nota citata. Uno scopo principale dell'invenzione è quello di mettere a disposizione un impianto che consenta di collocare presso ciascun banco refrigerato una rispettiva unità refrigerante, così da ovviare alla esigenza di lunghi collegamenti tra di essa e gli evaporatori ed i conseguenti problemi sopra menzionati in relazione al primo esempio di tecnologia nota, senza comportare al tempo stesso la necessità di elevate portate d'acqua per il raffreddamento dei sistemi di condensazione.

Un altro scopo del trovato è quello di mettere a punto un impianto in cui l'acqua necessaria per il raffreddamento del fluido frigorigeno sia resa disponibile al sistema di recupero a temperature sufficientemente elevate per un suo riutilizzo economicamente conveniente. Allo stesso tempo il trovato si propone di ottenere tale raffreddamento del fluido frigorigeno con portate d'acqua basse.

Questo problema e questi scopi sono risolti dall'invenzione con un impianto realizzato in accordo con le rivendicazioni che seguono.

Il concetto innovativo alla base della presente invenzione è assommato dal fatto di prevedere unità refrigeranti (inclusive dei rispettivi scambiatori per la cessione del calore ad alta pressione) adatte ad essere installate su ogni banco od in prossimità di esso, in cui il calore ceduto dal sistema (calore sottratto al banco sommato alla potenza elettrica utilizzata per la compressione) venga scaricato su un circuito idraulico e dal fatto che i sistemi refrigeranti utilizzano un ciclo transcritico per cui è possibile avere una differenza di temperatura molto grande tra mandata e ritorno del circuito idraulico (tipicamente 50°K) collegato al suddetto scambiatore e di conseguenza una portata d'acqua (od altro fluido refrigerante) molto bassa e quindi sezioni di tubazione e potenza di pompaggio basse.

Oltre a questo si rende disponibile acqua (o fluido refrigerante) a temperatura elevata (65-70°C) che può essere quindi convenientemente utilizzata per riscaldamento di acqua sanitaria e di ambienti, senza introdurre alcuna penalizzazione nell'efficienza del sistema.

Il calore in eccesso viene scaricato in ambiente esterno tramite un apposito scambiatore ed eventualmente utilizzando un raffreddatore ausiliario. E' possibile anche frazionare ulteriormente la fase di cessione di calore in ambiente, utilizzando per ogni fase la soluzione più conveniente.

A mero titolo d'esempio, utilizzando un ciclo transcritico a C02 ed ipotizzando che la temperatura esterna sia dell'ordine di circa 30°C e l'umidità relativa sia dell'ordine del 60% (e quindi una temperatura al bulbo umido di circa 24°C) è possibile cedere calore dal circuito d'acqua refrigerante, nel caso non sia richiesto calore dal sistema di recupero, nel modo seguente:

- da 70°C a 35°C all'aria esterna con scambio a secco, da 35°C a 27°C all'aria esterna con scambio evaporativo,

da 27°C a 20°C tramite il circuito frigorifero ausiliario .

Il consumo di acqua nella fase di scambio con evaporazione (torre d'evaporazione) è molto basso, pari a circa il 15% del consumo per asportazione del calore di condensazione di un sistema equivalente di tipo tradizionale.

Si noti che in questo modo, considerate le variazioni diurne e stagionali della temperatura dell'aria esterna è possibile ridurre a poche ore all'anno l'utilizzo del raffreddatore ausiliario e quindi risulta bassa l'incidenza del consumo di energia del raffreddatore suddetto rispetto al totale. Questo quanto meno in climi temperati e, a maggior ragione, freddi.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione meglio risulteranno dalla descrizione dettagliata che segue di un suo preferito esempio di attuazione illustrato, a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento agli uniti disegni in cui:

-la fig.l è un diagramma schematico di un ciclo frigorifero adottato nell'impianto di questa invenzione;

-la fig.2 è uno schema di un impianto realizzato in accordo con la presente invenzione;

-le figg. 3 e 4 sono schemi di rispettivi particolari dell'impianto di figura 2;

-la fig. 6 è una vista schematica in sezione di un ulteriore particolare di fig.4.

In figura 1 è rappresentato il diagramma in coordinate temperatura <T) ed entropia (S) relativo all'anidride carbonica in cui la curva limite è indicata con (L) ed un tipico ciclo termodinamico Rankine inverso di tipo transcritico ovvero ipercritico è rappresentato dai riferimenti 1, 2, 3 e 4.

Il ciclo comprende una fase di compressione sostanzialmente isoentropica 1-2 con innalzamento della temperatura sino al valore di ordinata 2, una fase di raffreddamento 2-3 svolta al di fuori della curva limite, una fase di laminazione 3-4 in cui si ha un abbassamento di pressione e una parziale condensazione del fluido e una fase di evaporazione 4-1 in cui il fluido frigorifero assorbe calore dall'ambiente circostante che viene di conseguenza raffreddato.

Si apprezzerà che la fase di raffreddamento 2-3 si svolge con un salto termico relativamente elevato, in special modo se confrontato con quanto avviene nei tradizionali cicli frigoriferi a compressione di vapore. L'impianto di questa invenzione si propone in particolare di utilizzare un ciclo transcritico avvalendosi di anidride carbonica quale fluido frigorigeno. Questo fluido, di cui sono notoriamente apprezzate le basse caratteristiche inquinanti e la non tossicità, alle condizioni operative previste dall'invenzione si presta per la realizzazione di un ciclo frigorifero transcritico.

Questo perché la temperatura critica è bassa (31.06°C) ed i rapporti di pressione, alle condizioni operative dell'impianto di questa invenzione, sono simili - e generalmente inferiori - a quelli normalmente utilizzati nei sistemi tradizionali a compressione di vapore .

Con riferimento alle figure 2-5, un impianto realizzato in accordo con la presente invenzione e tipicamente destinato a trovare collocazione in un supermercato comprende uno o più banchi refrigerati ai quali è associata una pluralità di unità refrigeranti Al, A2, A3.... An destinati al raffreddamento dei banchi stessi e dei prodotti in essi contenuti.

Le unità refrigeranti Al, A2, .... An sono collegate in parallelo tra loro ad un circuito di raffreddamento 10 i cui rami di mandata e di ritorno sono rispettivamente indicati con 10a e 10b.

In tale circuito è fatto circolare un fluido di raffreddamento quale acqua, eventualmente addizionata con anticongelante.

Sullo stesso circuito di raffreddamento 10 sono inoltre previsti quattro scambiatori di calore rispettivamente indicati con 11, 12, 13 e 14 dotati di circuiti primari Ila, 12a, 13a, 14a collegati al circuito 10 nel modo chiarito di seguito.

I circuiti primari 12a e 13a sono collegati in serie tra loro ed eventualmente con una piccola torre di evaporazione T lungo un primo ramo 15 del circuito 10, selettivamente collegato tra i rami di mandata 10a e di ritorno 10b per il tramite di una valvola a tre vie 16.

II circuito primario Ila è disposto su di un secondo ramo 17 del circuito 10 posto in parallelo al primo ramo 15 ed anch'esso selettivamente collegato tra i rami 10a e 10b per il tramite della stessa valvola a tre vie 16. Il circuito primario 14a è collegato sul ramo di mandata IOa, in serie con i rami 15 e 17 ed è collegato termicamente ad un circuito frigorifero ausiliario che comprende, in modo di per sé noto, un compressore 18, un condensatore 19, una valvola di laminazione 20 ed un evaporatore 21 costituente circuito secondario dello scambiatore 14 e conseguentemente in condizioni di scambio termico con il circuito di raffreddamento 10.

Gli scambiatori 11 e 12 sono del tipo acqua/acqua in controcorrente. Lo scambiatore 13 è del tipo acqua/aria e può avere a valle il raffreddatore evaporativo (T). Lo scambiatore 11 è dotato di un circuito secondario llb nel quale è fatta circolare, secondo le modalità chiarite di seguito, acqua suscettibile di accumulo in un serbatoio 18 per usi sanitari.

Lo scambiatore 12 è dotato di un circuito secondario 12b nel quale è fatta circolare acqua utilizzabile per il riscaldamento dei locali del supermercato, ove e quando ciò sia necessario. Il calore residuo è smaltito verso l'esterno attraverso lo scambiatore 13 e l'eventuale eccedenza (nel caso la temperatura dell'aria esterna non sia sufficientemente bassa da consentire il raffreddamento alla temperatura desiderata) viene smaltita nel raffreddatore ausiliario 14 .

Quest'ultimo, come più sopra indicato, è utilizzato per smaltire una frazione del tutto minoritaria del calore totale e potrà essere condiviso con altre utenze per scopi diversi.

Le unità refrigeranti Al, A2, ... An sono tutte simili tra loro e verrà pertanto descritta in maggior dettaglio la sola unità Al.

Essa comprende un compressore 22, uno scambiatore di calore acqua/gas 23 per il raffreddamento del gas compresso, un ricevitore di liquido in bassa pressione 24 ed un evaporatore 25. Nel ricevitore di liquido 24 è posto uno scambiatore 24a per il raffreddamento del gas proveniente dallo scambiatore 23 mediante contatto termico con il liquido in eccesso proveniente dall'evaporatore 25. Quest'ultimo è preferibilmente dotato di un sistema di ventilazione forzata 26 e di un circuito di sbrinamento 27.

Lo scambiatore di calore acqua/gas 23 ha un circuito primario 23a ed un circuito secondario 23b in reciproco collegamento di scambio termico. Il circuito primario 23a è collegato al ramo di mandata IOa del circuito di raffreddamento 10 tramite un primo condotto 30 ed è collegato al ramo di ritorno 10b tramite un secondo condotto 31 dotato di valvola di regolazione 32. Nel circuito 23b è fatto circolare il gas compresso dal compressore 22.

E' previsto che il motore elettrico del compressore 22 sia preferibilmente raffreddato ad una temperatura intermedia tra l'acqua in entrata al circuito primario dello scambiatore 23 e quella in uscita dallo stesso. In tal modo si ottiene di poter raffreddare il motore fino alla massima temperatura ammessa conservando l'acqua fredda in ingresso allo scambiatore 23 per il raffreddamento del gas ad alta pressione fino alla minima temperatura possibile, massimizzando in questo modo l'efficienza del sistema frigorifero. Con riferimento alla figura 3, il raffreddamento del motore è realizzato mediante un circuito di spillamento 33 derivato dal circuito primario 23a dello scambiatore 23.

Il circuito di sbrinamento 27 è collegato al ramo di ritorno {ovvero a quello di mandata, se fosse preferibile mantenere livelli termici più contenuti) 10b del circuito 10 e comprende una pluralità di condotti 27a annegati con passo prefissato nello stesso pacco alettato 27b dell'evaporatore 25 in cui sono alloggiati i condotti 25a del circuito 28 per la circolazione del fluido frigorigeno. Sono previste valvole di intercettazione e regolazione 35, 36 per il controllo operativo del circuito di sbrinamento 27. Il funzionamento dell'impianto è il seguente.

Il circuito primario 23a degli scambiatori 23 è alimentato con acqua fredda a 15-20°C che viene riscaldata in uscita fino a 65-70°C in conseguenza dello scambio termico con il fluido frigorigeno compresso a pressione supercritica, che viene così raffreddato. L'unità refrigerante opera secondo il ciclo di figura 1.

L'acqua viene mantenuta in circolazione da una pompa 34 e viene inviata agli scambiatori 11-14 di smaltimento di calore secondo le modalità seguenti.

Nel caso vi sia richiesta di acqua sanitaria dal serbatoio 18, per la cui reintegrazione è prelevata dalla rete idrica acqua a bassa temperatura (10-15°C) in grado di raffreddare la portata circolante nel circuito di raffreddamento 10 fino al valore desiderato, la valvola a tre vie 16 è azionata in apertura del ramo 17 così che 1'acqua di raffreddamento sia portata a circolare nel circuito primario Ila dello scambiatore 11.

Nel caso non vi sia alcun prelievo di acqua sanitaria, la valvola a tre vie 16 è commutata in apertura del ramo 15 così che la circolazione di acqua di raffreddamento sia convogliata attraverso gli scambiatori 12 e 13 in modo da fornire acqua calda per il riscaldamento del supermercato ovvero attraverso il solo scambiatore 13 nel caso non vi sia né utilizzo di acqua sanitaria né richiesta di recupero di calore per il riscaldamento suddetto.

Qualora la temperatura ambiente fosse troppo alta per smaltire in modo conveniente tutto il calore sopra menzionato, un piccolo raffreddatore evaporativo T raffredderà ulteriormente l'acqua del circuito 10.

Il raffreddatore ausiliario 14, posto a valle di entrambi i rami 15, 17, provvede infine a smaltire l'ulteriore residuo calore dell'acqua di raffreddamento sino alla temperatura ritenuta ottimale ai fini dell'efficienza dell’impianto frigorifero.

Con opportune dimensioni dell'accumulo d'acqua sanitaria nel serbatoio 18 e sfruttando opportuni criteri di gestione dei recuperi di calore sopra indicati è possibile ottimizzare il funzionamento dell'impianto descritto. Ad esempio è possibile concentrare il riscaldamento dell'acqua necessaria per uso sanitario durante il periodo più caldo della giornata e sfruttare le ore più fresche per lo smaltimento del calore nell'aria esterna.

La portata d'acqua di raffreddamento dipende, oltreché dalla potenza termica in gioco, dal salto termico ammesso.

Tipicamente il salto termico dal lato acqua di un equivalente impianto con unità operanti secondo un ciclo subcritico è di 5°K.

In questo caso il salto termico è dell'ordine di 50°K. La portata è quindi pari a circa un decimo rispetto al caso precedente.

A titolo di esempio, un impianto avente una potenza termica da smaltire di 140 KW avrà una portata nei due casi rispettivamente di 24 mc/h e di 2,4 me/h. La tubazione del circuito principale avrà un diametro rispettivamente di 90 mm nel primo caso e di 30 mm nel secondo. La potenza di pompaggio sarà di 2500 W nel primo caso e di 250 W nel secondo.

L'impianto risolve così il problema proposto raggiungendo gli scopi indicati.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Impianto frigorifero includente almeno una unità refrigerante operativa secondo un ciclo frigorifero completo e comprendente uno scambiatore di calore per il raffreddamento di un fluido frigorigeno compresso, caratterizzato dal fatto che il ciclo frigorigeno svolto da ciascuna unità refrigerante è un ciclo transcritico e dal fatto di comprendere un circuito idraulico di raffreddamento di detto scambiatore.
2. 2. Impianto secondo la rivendicazione 1 in cui il fluido circolante in detto circuito idraulico di raffreddamento è acqua.
3. 3. Impianto secondo la rivendicazione 1 o 2 in cui detto fluido frigorigeno è anidride carbonica. 4. Impianto secondro la rivendicazione 2, in cui il circuito idraulico di raffreddamento dello scambiatore di ciascuna unità refrigerante comprende un primo scambiatore per il riscaldamento dell'acqua secondaria di raffreddamento ad una prima temperatura, ad esempio per uso sanitario, ed almeno un secondo scambiatore posto in parallelo al primo.
4. 4. Impianto secondo la rivendicazione 3, in cui uno di detti scambiatori, e preferibilmente il secondo scambiatore, ha circuito secondario associato ad un impianto di riscaldamento.
5. 5. Impianto secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui il circuito idraulico di raffreddamento dello scambiatore di ciascuna unità refrigerante comprende un terzo scambiatore il cui circuito secondario comprende mezzi dissipatori di calore in ambiente esterno.
6. 6. Impianto secondo la rivendicazione 5, in cui detto circuito idraulico di raffreddamento comprende un quarto scambiatore a torre evaporativa.
7. 7. Impianto secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui detto circuito idraulico di raffreddamento comprende un raffreddatore ausiliario.
8. 8. Impianto secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascuna unità refrigerante comprende un compressore, uno scambiatore di calore acqua/gas per il raffreddamento del gas compresso ed un evaporatore 25.
9. 9. Impianto secondo la rivendicazione 8, in cui un ricevitore di liquido in bassa pressione è interposto tra l'aspirazione del compressore e la mandata dall'evaporatore, detto ricevitore di liquido essendo collegato in contatto di scambio termico con uno scambiatore per il raffreddamento del gas proveniente dallo scambiatore acqua/gas mediante contatto termico con il liquido in eccesso proveniente dall'evaporatore.
10. 10. Impianto secondo la rivendicazione 8, in cui detto compressore è raffreddato mediante un circuito di spillamento derivato da un circuito primario sul lato acqua dello scambiatore di calore acqua/gas ad una temperatura intermedia tra l'acqua in entrata a detto circuito primario e quella di uscita da detto circuito primario .
11. 11. Impianto secondo la rivendicazione 8, in cui detto evaporatore è del tipo a pacco alettato e comprende un circuito di sbrinamento collegato al circuito idraulico di raffreddamento, detto circuito di sbrinamento comprendendo una pluralità di condotti annegati in detto pacco alettato.