ITPN20090039A1 - "procedimento e apparecchio per l'essicazione di gas compresso" - Google Patents

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ITPN20090039A1
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Description

“PROCEDIMENTO E APPARECCHIO PER L’ESSICCAZIONE DI GAS COMPRESSOâ€
DESCRIZIONE
SETTORE TECNICO DELL’INVENZIONE
[001] La presente invenzione si riferisce ad un procedimento perfezionato per l’essiccazione di gas compresso, in particolare aria, e ad un apparecchio di tipo ibrido per la realizzazione di tale procedimento,
TECNICA DI BASE DELL’INVENZIONE
[002] Come à ̈ noto, in molti impianti industriali viene utilizzata aria compressa in apparecchiature per l'azionamento di diversi macchinari o come gas di processo. L’aria compressa contiene normalmente una certa percentuale di umidità sotto forma di vapore d'acqua. Se la temperatura dell’aria compressa scende al di sotto del punto di rugiada, il vapore si condensa con la formazione di gocce d’acqua. Sia le alte concentrazioni di vapore che la presenza di liquido sono la principale causa di corrosione e di prematura rottura delle tubature e di malfunzionamento o completa inservibilità delle macchine o apparecchiature che utilizzano l’aria compressa.
[003] Esistono diversi tipi di essiccatori. In particolare, sono noti gli essiccatori a refrigerazione e gli essiccatori ad adsorbimento.
Gli essiccatori a refrigerazione comprendono sostanzialmente due scambiatori di calore: un recuperatore di calore e un evaporatore. Per il raffreddamento si utilizza un fluido frigorigeno che viene fatto circolare nell’evaporatore facente parte di un circuito frigorifero.
Gli essiccatori ad adsorbimento sono usati quando à ̈ necessario ottenere un punto di rugiada sotto pressione inferiore a 0° C, ad esempio - 40° C. In questo caso, infatti, non si può usare un essiccatore a refrigerazione perché si verificherebbe formazione di ghiaccio nell’evaporatore.
Si distinguono principalmente due tipi di essiccatori ad adsorbimento: (i) quelli con rigenerazione a freddo, utilizzati normalmente per portate piccole e medie (ad esempio, fino a 10-20 m<3>/min), e (ii) quelli con rigenerazione a caldo, per portate medie e grandi (ad esempio, oltre 10-20 m<3>/min). In entrambi i casi, gii essiccatori comprendono due (colonne) sotto pressione che contengono materiale solido capace di adsorbire le di vapore d’acqua. Il funzionamento à ̈ ciclico perché mentre una colonna à ̈ nella adsorbimento l’altra colonna à ̈ nella fase di rigenerazione, o in attesa che la prima abbia completato il suo ciclo.
Negli essiccatori ad adsorbimento con rigenerazione a freddo, il ciclo di lavoro di ciascuna colonna prevede le seguenti fasi: (i) adsorbimento, in cui l'aria compressa viene immessa in una colonna, dove attraversa la massa di materiale adsorbente e raggiunge il punto di rugiada desiderato; (ii) depressurizzazione della colonna (rii) rigenerazione del materiale adsorbente, in cui l’aria compressa secca prodotta dalla colonna che sta adsorbendo si espande in un orifizio calibrato fino alla pressione atmosferica, entra nella colonna in rigenerazione e provoca il de-adsorbi mento dell’acqua; (iv) pressurizzazione, in cui la pressione della colonna viene riportata al valore previsto per l’inizio di una nuova fase di adsorbimento. Questo tipo di essiccatore à ̈ caratterizzato da una relativa semplicità costruttiva ma da un elevato consumo di aria compressa, e quindi di energia.
Negli essiccatori ad adsorbimento con rigenerazione a caldo, il ciclo di lavoro di ciascuna colonna comprende tipicamente le seguenti fasi: (i) adsorbimento; (ii) depressurizzazione; (iii) riscaldamento, in cui aria prelevata dall’ambiente esterno viene riscaldata e inviata sul materiale adsorbente per provocare il de-adsorbimento dell’acqua dal medesimo; (iv) raffreddamento, in cui il materiale adsorbente viene portato ad una temperatura più vicina possibile a quella dell 'aria da essiccare; (v) pressurizzazione. Questo tipo di essiccatore ha un consumo specifico di energia (consumo di aria compressa più consumo elettrico) inferiore a quello dell’essiccatore ad adsorbimento con rigenerazione a freddo ma risulta piuttosto complesso dal punto di vista costruttivo e quindi costoso.
Nel mercato si trovano anche degli essiccatori ibridi per portate medio alte (20-150 m<3>/min), nei quali a valle di un essiccatore a refrigerazione viene disposto un essiccatore ad adsorbimento con rigenerazione a caldo. L’essiccatore a refrigerazione consente di eliminare oltre i’80% del contenuto di acqua nell’aria compressa e di raggiungere un punto di rugiada sotto pressione di 3° C. Di conseguenza, l’essiccatore ad adsorbimento può vantaggiosamente essere dimensionato per lavorare in condizioni meno onerose, in modo da raggiungere un punto di rugiada di - 40° C. Questa soluzione à ̈ stata studiata per risparmiare energia, adeguandone il consumo alla quantità di acqua che viene adsorbita per ciclo. Tuttavia, anche se la quantità dì acqua viene notevolmente ridotta, il consumo di energia non si riduce proporzionalmente, in quanto per riscaldare e raffreddare il materiale adsorbente contenuto nelle colonne à ̈ necessaria una quantità di energia che à ̈ in parte indipendente dalla quantità di acqua adsorbita. Pertanto, i costruttori di essiccatori cercano di modificare anche i parametri di funzionamento degli apparecchi; ad esempio, si aumenta il tempo di attesa della colonna appena rigenerata in modo da sfruttare al massimo la co che sta lavorando in fase di adsorbimento, aumentando però il tempo totale di ciclo. Si cercai<1>» inoltre, di ridurre la quantità di materiale adsorbente, ma in ogni caso le colonne rimangono di notevoli dimensioni e non si riduce la complessità dell'essiccatore con rigenerazione a caldo. In conclusione, gli essiccatori ibridi attualmente noti risultano piuttosto complessi e molto costosi, quindi non adatti per impieghi in impianti di piccole e medie potenzialità.
RIASSUNTO DELL’INVENZIONE
[004] Scopo principale dell’invenzione à ̈ quindi quello di realizzare un essiccatore di gas compresso, in particolare aria, di tipo ibrido che combini in modo innovativo le caratteristiche di un essiccatore a refrigerazione e di un essiccatore ad adsorbimento.
Un altro scopo dell’Invenzione à ̈ quello di realizzare un essiccatore ibrido di dimensioni contenute, per poter essere racchiuso all’interno di un unico contenitore.
Ancora uno scopo dell'invenzione à ̈ quello di realizzare un essiccatore ibrido con costi di impianto e di manutenzione notevolmente inferiori rispetto a quelli degli essiccatori finora noti.
[005] Ulteriore scopo dell’Invenzione à ̈ quello di realizzare un procedimento perfezionato per l’essiccazione di gas compresso, in particolare aria, che risulti conveniente anche per piccole e medie portate di aria in quanto adotta soluzioni impiantistiche simili a quelle di un essiccatore ad adsorbimento con rigenerazione a freddo e consente l'impiego di ridotte quantità di materiale adsorbente.
Un altro scopo dell’invenzione à ̈ quello di realizzare un procedimento perfezionato per l’essiccazione di gas compresso che unisca i vantaggi di un essiccatore ad adsorbimento con rigenerazione a freddo (bassi costi di impianto) e quelli di un essiccatore ad adsorbimento con rigenerazione a caldo (bassi costi di esercizio).
Un altro scopo dell’invenzione à ̈ quello di realizzare un procedimento perfezionato per l’essiccazione di aria compressa che consenta un sensibile risparmio di energia al variare del carico, in quanto si utilizza una piccola percentuale di aria compressa secca per le fasi di riscaldamento e di raffreddamento del materiale adsorbente, e si controlla la temperatura di uscita deH’aria di rigenerazione durante tali fasi.
[006] Questi e altri scopi verranno raggiunti con un essiccatore secondo la presente invenzione come definito dalle rivendicazioni che concludono il brevetto.
BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE
[007] Ulteriori caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione diverranno più evidenti dalla seguente descrizione di una realizzazione data a titolo di esempio non limitativo con riferimento alla annesse figure, in cui:
- la figura 1 rappresenta uno schema a blocchi di un essiccatore a refrigerazione, secondo la tecnica nota;
- la figura 2 rappresenta uno schema funzionale di un essiccatore ad adsor con rigenerazione a freddo, secondo la tecnica nota;
- la figura 3 mostra uno schema funzionale di un essiccatore ad adsorbimento corT rigenerazione a caldo, secondo la tecnica nota;
- la figura 4 rappresenta uno schema a blocchi di un essiccatore ibrido, secondo ia tecnica nota;
- la figura 5 mostra uno schema funzionale di un essiccatore ibrido con flusso deH’aria durante la fase di adsorbimento dal basso verso l’alto, secondo l’invenzione.
- la figura 6 mostra uno schema funzionale di un essiccatore ibrido con flusso dell’ana durante la fase di adsorbimento dall’alto verso il basso, secondo l'invenzione.
Nelle figure sono usati i medesimi riferimenti numerici per indicare componenti funzionali corrispondenti.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE
[008] La figura 1 rappresenta sotto forma di schema a blocchi un essiccatore a refrigerazione, secondo la tecnica nota, comprendente due scambiatori di calore: un recuperatore di calore (10), o scambiatore di calore gas/gas, e un evaporatore (40).
L’aria compressa da essiccare viene inizialmente pre-raffreddata in una sezione di preraffreddamento (20) del recuperatore di calore (10); quindi, essa esce dalla sezione di preraffreddamento e continua a raffreddarsi in una sezione di raffreddamento (50) dell’evaporatore (40) fino al raggiungimento del punto di rugiada desiderato. Per tale raffreddamento si utilizza normalmente un fluido frigorigeno che evapora in una sezione di evaporazione (60) dell’evaporatore stesso. Tale fluido frigorigeno evaporante viene fatto circolare in un circuito frigorifero (70).
L’aria compressa, entra successivamente in un separatore di condensa (80), in cui il vapore d’acqua condensato viene raccolto e separato dall’aria. La condensa viene poi scaricata da un dispositivo di scarico (90).
L’aria che fuoriesce dal separatore di condensa (80) attraversa la sezione di riscaldamento (30) del recuperatore di calore (10) in maniera da pre-raffreddare l’aria compressa che attraversa la sezione di pre-raffreddamento (20).
Se l’efficienza di separazione del separatore di condensa (80) à ̈ molto elevata (>99,5%), il punto di rugiada sotto pressione coincide sostanzialmente con la temperatura dell 'aria compressa in uscita dall’evaporatore (40), e per un essiccatore a refrigerazione esso varia tipicamente tra 3° e 7° C.
[009] La figura 2 rappresenta uno schema funzionale di un essiccatore ad adsorbimento con rigenerazione a freddo, secondo la tecnica nota.
L’aria compressa entra in un filtro (110) in cut si elimina l’eventuale olio contenuto nell’aria fino ad una concentrazione di circa O.OIppm, attraversa la tubazione (120) ed entra in una valvola a 4 vie (130), per essere indirizzata selettivamente, tramite d (135,136), in una di due colonne (160,170) sotto pressione, contenenti materiale adsorb< Quando una delle colonne à ̈ in fase di adsorbimento, l’altra colonna viene depressurizzata aprendo una valvola (140) e scaricando l’aria nell'ambiente attraverso un filtro silenziatore (150).
L'aria compressa essiccata esce dalle colonne (160) o (170) attraversando, rispettivamente, le tubazioni (190) o (200), le valvole di non ritorno (210) o (220), una tubazione (230) e un filtro antipotvere (240), per essere immessa nuovamente nel ciclo operativo deirimpianto industriale.
Per rigenerare il materiale di adsorbimento contenuto nelle colonne (160) o (170) si utilizza una parte dell’aria compressa essiccata, che esce da una delle colonne e viene inviata nell'altra colonna attraverso una tubazione (180) in cui à ̈ inserito un orifizio calibrato (185). L’aria, carica di umidità de-adsorbita dal materiale adsorbente, viene scarica nell’ambiente, attraversando le tubazioni (135) o (156), le valvole (130) o (140) e il filtro (150).
Questo tipo di essiccatore à ̈ caratterizzato da una semplicità costruttiva ma da un elevato consumo dì aria compressa e, quindi, di energia. Nelle condizioni di lavoro secondo la norma IS07183 (aria compressa in ingresso a 35°C, satura e 7 barg) i produttori dichiarano che l'orifizio (185) à ̈ calibrato per far passare una percentuale di aria durante la fase di rigenerazione del 21% con riferimento alla portata d’aria compressa essiccata che esce dal filtro antipolvere (240) durante la fase di rigenerazione. Con riferimento all’intero ciclo questa percentuale à ̈ del 16,7%, Se consideriamo che per produrre 1 m<3>/min di aria compressa a 7 barg sono necessari circa 6 kW, si ha che per produrre aria compressa con punto di rugiada sotto pressione di - 40°C à ̈ necessario 1 ,0 kW/(m<3>/min).
[0010] La figura 3 mostra uno schema funzionale di un essiccatore ad adsorbimento con rigenerazione a caldo, secondo la tecnica nota.
Come nel caso precedente, l'aria compressa entra in un filtro (110) in cui si elimina l'eventuale olio contenuto nell’aria fino ad una concentrazione di circa 0,01 ppm, attraversa la tubazione (120) ed entra in una valvola a 4 vie (130), per essere indirizzata selettivamente, tramite due tubazioni (135) o (136), in una di due colonne (160) o (170) sotto pressione, contenenti materiale adsorbente.
Quando una delle colonne à ̈ in fase di adsorbimento, l’altra colonna viene depressurizzata aprendo la valvola (140) e scaricando l’aria nell'ambiente attraverso il filtro silenziatore (150).
L'aria compressa essiccata esce dalle colonne (160) o (170), attraversa una valvola a 4 vie (250) e viene immessa nuovamente nel ciclo operativo deirimpianto industriale tramite la tubazione (230) nella quale à ̈ inserito il filtro antipolvere (240).
Per rigenerare il materiale di adsorbimento contenuto nelle colonne (160) o preleva aria dall’ambiente esterno mediante una soffiante (280), la si riscalda mediante riscaldatore elettrico (270) e la si invia selettivamente nelle due colonne (160) o (170), attraverso una valvola (260) in serie con la valvola a 4 vie (250). L’aria, carica di umidità deadsorbita dal materiale adsorbente, viene scarica neH’ambiente, attraverso le tubazioni (135) o (156) e una valvola (145).
Successivamente, si procede al raffreddamento del materiale adsorbente, chiudendo la valvola (260) e la valvola (145), mentre si apre una delle valvole (186) o (187) e la valvola (140). L’aria compressa essiccata si espande fino alla pressione atmosferica e passa dall’una all’altra colonna di adsorbimento attraverso la valvola a 4 vie (250). L’aria di raffreddamento riscaldata esce da una delle tubazioni (135) o (136), passa attraverso la valvola a 4 vie (130) e viene scaricata nell’ambiente attraverso la valvola (140) e il filtro silenziatore (150). Per il raffreddamento si utilizza una percentuale di aria compressa tipicamente del 5-10%. La fase di raffreddamento serve per portare il materiale adsorbente ad una temperatura più vicina possibile a quella deH’aria da essiccare.
Questo tipo di essiccatore à ̈ piuttosto complesso da un punto di vista costruttivo e, quindi, costoso, ma ha un consumo specifico di potenza inferiore a quello con rigenerazione a freddo. Basandoci sui dati dichiarati dai costruttori, si ha un consumo di energia elettrica di 0,49 kW/(m<3>/min) a cui si deve sommare il consumo di aria compressa per il raffreddamento (circa il 2% della portata) che corrisponde ad altri 0,12 kW(m<3>/min) per un totale di 0,51 kW(m<3>/min). Per questi motivi (costo di impianto più elevato ma minori costi di esercizio) gli essiccatori con rigenerazione a caldo trovano tipicamente applicazione per portate superiori a 10-20 m<3>/min.
Esistono molti altri tipi di essiccatori ad adsorbimento che utilizzano calore per la rigenerazione ma le conclusioni finali sono simili a quelle già fatte con riferimento al tipo più comune di essiccatore ad adsorbimento con rigenerazione a caldo.
[0011] La figura 4 rappresenta uno schema a blocchi di un essiccatore ibrido, secondo la tecnica nota. Come si vede, questo apparecchio consiste in un essiccatore a refrigerazione, comprendente due scambiatori di calore (10,40), un circuito frigorifero (70), un separatore di condensa (80) e un dispositivo di scarico della condensa (90); a valle dell'essiccatore a refrigerazione à ̈ collegato un essiccatore ad adsorbimento con rigenerazione a caldo (300), come quello descritto in precedenza.
Per mantenere la stessa efficienza energetica di un essiccatore a refrigerazione tradizionale, una volta essiccata nell’essiccatore ad adsorbimento (300), l’aria compressa può ritornare nella sezione di riscaldamento (30) del recuperatone di calore (10) dell'essiccatore a refrigerazione.
Come già detto, questi essiccatori ibridi sono vantaggiosi dal punto di vista dei energetici, ma continuano ad essere costruttivamente complessi, ad avere dii notevoli e costi molto elevati.
[0012] La figura 5 mostra uno schema funzionale di un essiccatore ibrido, secondo l'invenzione.
Il nuovo essiccatore ibrido comprende un essiccatore a refrigerazione (100) di tipo tradizionale a valle del quale à ̈ collegato un essiccatore ad adsorbimento (300) la cui costruzione e modalità di funzionamento sono una “via di mezzo†fra quelli di un essiccatore ad adsorbimento con rigenerazione a freddo e quelli di un essiccatore ad adsorbimento con rigenerazione a caldo.
Infatti, per la rigenerazione si fa uso solo di aria compressa essiccata, come negli essiccatori con rigenerazione a freddo, ma questa aria compressa viene riscaldata con un riscaldatore elettrico, o analogo, come negli essiccatori con rigenerazione a caldo. Naturalmente, la percentuale di aria compressa per la rigenerazione, i tempi di ciclo, la modalità di rigenerazione e la quantità specifica di materiale adsorbente, sono completamente diversi rispetto agli essiccatori noti.
[0013] Si descrive ora, con riferimento alla figura 5, il nuovo essiccatore ibrido e il relativo procedimento operativo.
L’aria compressa, proveniente dall’essiccatore a refrigerazione (100), entra nel filtro (110), attraversa la tubazione (120) ed entra in un gruppo valvolare (130). Il gruppo valvolare (130) à ̈ preferibilmente costituito da una valvola a 4 vie, che può essere sostituita da una pluralità di valvole singole, opportunamente coordinate. Se la colonna (160) à ̈ in fase di adsorbimento, l’aria compressa passa attraverso le sezioni (130a e 130b) della valvola (130) e la tubazione (135) per entrare nella colonna (160). Una volta attraversata la colonna (160) e raggiunto il punto di rugiada desiderato, l'aria compressa esce dalla tubazione (190), attraversa la valvola di non ritorno (210) e la tubazione (230) per uscire passando nel filtro antipolvere (240) e tornare al recuperatore di calore (10) nella sezione di riscaldamento (30) dell’essiccatore a refrigerazione (100). Da quest’ultimo l’aria compressa essiccata viene immessa nuovamente nel ciclo operativo dell’impianto industriale.
[0014] All’inizio della fase di adsorbimento della colonna (160), la colonna (170) viene depressurizzata aprendo la valvola (140). L’aria compressa viene scaricata nell’ambiente esterno attraverso il filtro silenziatore (150) e la pressione nella colonna (170) raggiunge il valore della pressione atmosferica.
Attraverso una tubazione (180), a causa della differenza di pressione che c’à ̈ fra l’uscita della colonna (160) e la pressione atmosferica che c'à ̈ nella colonna (170) (s trascurano le perdite di carico), passa una portata di aria che attraversa rispettivamente un orifizio calibrato (188), una resistenza elettrica (275) e un secondo orifizio calibri che, preferibilmente, à ̈ uguale al primo.
La resistenza elettrica (275) può essere accesa all' inizio della fase di rigenerazione: cioà ̈ assieme all’apertura della valvola (140), oppure se ne può anticipare l’accensione in modo che fin da subito l’aria compressa che attraversa la tubazione (180) esca ad elevata temperatura.
L’aria che esce dalla tubazione (180) ad elevata temperatura (ad es. 130 ÷ 200° C), passa per la tubazione (200) ed entra nella colonna (170), scambia calore con il materiale adsorbente e con il recipiente che lo contiene ed esce dalla tubazione (136), attraversa le sezioni (130c e 130d) della valvola a 4 vie (130) e viene scaricata nell'ambiente passando per la valvola (140) e il filtro silenziatore (150).
Il controllo della temperatura dell’aria che viene riscaldata dalla resistenza (275) à ̈ realizzato controllando la temperatura con una sonda (T2) in uscita dalla resistenza e accendendo o spegnendo la resistenza stessa o modulandone la potenza. Ovviamente quando si dovrà rigenerare la colonna (160) il controllo passa ad una sonda di temperatura (T1).
La scelta di due orifizi uguali viene fatta per avere la stessa portata d’aria nella tubazione (180) sia quando si rigenera la colonna (170) che la colonna (160). Infatti, se si usasse solo un orifizio calibrato posto, ad esempio, a sinistra della resistenza (275). a causa della elevata differenza di temperatura che si crea fra monte e valle della resistenza elettrica (ad es. circa 180° C), ci sarebbero delle significative differenze fra la portata che passa quando si sta riscaldando la colonna (160) invece che la (170) in quanto una volta l’orifizio calibrato sarebbe attraversato da aria fredda e nel ciclo successivo da aria calda. Siccome le perdite di carico attraverso un orifizio variano di circa il 10% per ogni 30° C variazione di temperatura questa differenza di portata sarebbe appunto significativa. Con due orifizi uguali posti uno a sinistra e uno a destra della resistenza elettrica c’à ̈ solo una differenza di circa il 10 ÷ 15% fra la portata che passa attraverso la tubazione (180) durante le fasi di riscaldamento e raffreddamento, ma questo non à ̈ un problema perché la variazione à ̈ la stessa indipendentemente dalla colonna che si sta rigenerando ed à ̈ sufficiente regolare i tempi di riscaldamento e di raffreddamento di conseguenza.
Come à ̈ noto, le fasi di riscaldamento e di raffreddamento che si realizzano nelle colonne (160 e 170) realizzano il procedimento di rigenerazione del materiale adsorbente.
La fase di riscaldamento si può interrompere in funzione:
• di un tempo predefinito che dipende dalle condizioni nominali di progetto
· della temperatura della parte inferiore della colonna in rigenerazione o deH’aria che esce dalla colonna in rigenerazione misurata, ad es. da una sonda (T3) o, in alternativa, da due sonde disposte nella parte inferiore delle colonne (160,170), rispettivamen spiegato in seguito come e perché di questa scelta.
[0015] Nella fase di raffreddamento, la resistenza elettrica viene spenta e l'affà compressa secca continua ad espandersi attraverso gli orifizi (188) e (189), a passare attraverso la colonna (170) e uscire attraverso la valvola (140) e il filtro silenziatore (150) La fase di raffreddamento si può interrompere in funzione:
• di un tempo predefinito che dipende dalle condizioni nominali di progetto
• della temperatura dell’aria che esce dalla colonna in rigenerazione misurata, ad esempio, dalla sonda (T3). Verrà spiegato in seguito come e perché di questa scelta.
[0016] Nella fase di pressurizzazione, dopo la fase di raffreddamento, la valvola (140) si chiude in modo che la colonna (170) si porti alla stessa pressione della colonna (160) per essere quindi pronta ad iniziare una nuova fase di adsorbimento. La fase di pressurizzazione può continuare per un tempo molto più lungo del minimo necessario (circa 1 minuto) per sfruttare al massimo la capacità di adsorbimento dell’altra colonna che lavora in fase di adsorbimento.
[0017] La caratteristica principale del nuovo essiccatore ibrido à ̈ rappresentata dalla fase di rigenerazione che comprende sia il riscaldamento che il raffreddamento delle colonne contenenti il materiale adsorbente.
Gli attuali essiccatori ibridi rigenerano la colonna che ha completato la fase di adsorbimento in modo tradizionale (riscaldano il materiale adsorbente a una temperatura elevata, ad es. 130†C minimo, e poi lo raffreddano) e poi aumentano il tempo ciclo (ad es. da 6 a 16 ore) aumentando il tempo di pressurizzazione per sfruttare al massimo la capacità del materiale adsorbente della colonna che sta essiccando l'aria compressa umida.
Se si utilizza solo aria compressa secca per queste due fasi e si vuole risparmiare energia rispetto ai sistemi attualmente impiegati à ̈ necessario limitare al minimo il consumo specifico di aria secca e il consumo specifico di energia elettrica.
L'aria secca utilizzata per la rigenerazione rappresenta il costo di esercizio maggiore e per ridurlo à ̈ necessario ridurre la portata che passa attraverso la colonna da rigenerare. Se però si diminuisce questa portata al di sotto di un certo valore, che à ̈ caratteristico di ogni colonna e della quantità di acqua da de adsorbire, si ha un fenomeno di condensazione molto dannoso.
Infatti durante la fase di riscaldamento l’aria calda che entra nella parte alta della colonna da rigenerare aumenta il suo contenuto di vapore d'acqua (si umidifica) ma, procedendo lungo la colonna verso il basso, si raffredda provocando la condensazione del vapore d'acqua che era stato de adsorbito nelle parti superiori.
Questa condensazione ha due effetti negativi:
1. non consente all’acqua de adsorbita nella parte alta della colonna di colonna stessa perché viene condensata nelle zone inferiori della colon^^con il,risultato che nel ciclo successivo la colonna non riesce più a garantire il punto di rugiada desiderato.
2. il liquido può rovinare il materiale adsorbente ed à ̈ necessario utilizzare solo materiali che resistono all’acqua.
[0018] Il fenomeno della condensazione del vapore d’acqua à ̈ un fenomeno noto ma normalmente à ̈ limitato alle sezioni vicine all’uscita delle colonne. Per questo motivo spesso si utilizzano due qualità di materiale adsorbente: una che resiste all’acqua nella parte inferiore e una che non resiste all’acqua nella parte superiore ma che ha migliori capacità e/o efficienza nell’adsorbimento.
Considerato che il contenuto di acqua da togliere all’aria compressa umida in un essiccatore ibrido à ̈ 7,6 volte inferiore (con punto di rugiada in ingresso di 3° C invece di 35° C e pressione di 7 barg) che in un essiccatore ad adsorbimento tradizionale, si può pensare di ridurre aN'incirca dello stesso fattore la quantità specifica kg/(m<3>/min) di materiale adsorbente. Questo à ̈ possibile anche perché, come confermato da prove sperimentali, sono sufficienti poche decine di centimetri di altezza di materiale adsorbente (a parità di diametro della colonna) contro 1 ÷ 1 ,5 metri degli essiccatori tradizionali per ottenere un punto di rugiada sotto pressione di - 40° C quando si entra nell’essiccatore ad adsorbimento a circa 3° C.
La riduzione di materiale adsorbente favorisce anche la riduzione del consumo di energia elettrica per ciclo. Infatti, il riscaldamento alla temperatura di rigenerazione del materiale adsorbente e del recipiente à ̈ inevitabile come pure à ̈ inevitabile il loro raffreddamento, e, quindi, una loro riduzione significa meno energia necessaria per riscaldare questi materiali alla temperatura di rigenerazione e meno aria compressa secca e fredda per raffreddarli.
Da sottolineare il fatto che la capacità di adsorbire vapore d’acqua da parte di un materiale adsorbente à ̈ fortemente influenzata dalla temperatura: più bassa la sua temperatura, maggiore la sua capacità di adsorbire vapore d’acqua.
[0019] Nel nuovo essiccatore ibrido, per ridurre ulteriormente sia la portata d’aria secca necessaria per la rigenerazione che il consumo di energia elettrica necessaria per il riscaldamento e il raffreddamento si à ̈ adottato:
• un metodo di riscaldamento che non prevede di scaldare tutto il materiale adsorbente alla temperatura di rigenerazione ma di immettere dentro la colonna una quantità di calore minima sufficiente a de-adsorbire e portare fuori dalla colonna in rigenerazione la quantità d’acqua adsorbita nella precedente fase di adsorbimento. Questa quantità minima di calore à ̈ rappresentata da un flusso minimo di aria compressa secca bypassata e riscaldata dalla resistenza elettrica ad una prefissata temperatura che fluisce per un tempo m prefissato o determinato dalla temperatura di uscita deH’aria di rigenerazione. Questi' quantità minima di calore corrisponde ad una portata pari a circa il 4-6% di aria compressa secca e riscaldata ad una temperatura di circa 130-200° C. In questo modo, al termine della fase di riscaldamento, la parte superiore (vicino all’ingresso della colonna) si à ̈ portata alla temperatura di ingresso deN’aria secca di rigenerazione, mentre quella inferiore (vicino all’uscita della colonna) à ̈ a una temperatura tale da garantire che tutta l’acqua precedentemente adsorbita sia uscita e tipicamente può variare da circa 30° C a circa 80° C.
• un metodo di raffreddamento che non prevede di raffreddare tutto il materiale adsorbente alla temperatura dell’aria secca che entra nella colonna. In pratica durante la fase di raffreddamento l’aria secca “spinge verso il basso†il calore che si era accumulato nella parte alta della colonna continuando di fatto a rigenerare il materiale adsorbente delle sezioni sottostanti della colonna per tutto il periodo di raffreddamento senza, quindi, sprecare calore e aria compressa secca. Il processo di raffreddamento viene fermato prima di raggiungere, nella sezione di uscita, una temperatura (T3) pari alla temperatura in ingresso (circa 3° C), ad es. ad un valore compreso fra 10 e 30° C. Quando questa colonna inizierà la fase di adsorbimento, sarà attraversata dall'aria umida e fredda dal basso verso l’altro, cioà ̈ in controcorrente rispetto alla direzione dell’aria secca di raffreddamento, per cui questo flusso di aria compressa continuerà a raffreddare le sezioni inferiori della colonna rimaste relativamente calde mentre incontrerà sezioni già fredde nelle sezioni alte della colonna. Queste temperature relativamente elevate delle sezioni basse potrebbero diminuire la capacità della colonna di garantire il punto di rugiada desiderato ma, in realtà, non sono un problema. Infatti nel periodo iniziale delia fase di adsorbimento la capacità del materiale adsorbente à ̈ massima nelle sezioni alte della colonna (appena finita la rigenerazione) e, quindi, riesce a garantire l'ottenimento del punto di rugiada desiderato. Nei minuti successivi anche le sezioni inferiori della colonna si raffreddano per cui la capacità adsorbente della colonna torna ad essere quella ottimale.
[0020] Va sottolineato poi che all’inizio della fase di raffreddamento la resistenza (275) à ̈ molto calda e viene raffreddata daN'aria secca che la attraversa. In questo modo l'aria secca si riscalda e porta questo calore all’interno della colonna senza, quindi, sprecarlo.
Il tempo ciclo del nuovo essiccatore ibrido si posiziona in mezzo fra il tempo ciclo di un essiccatore ad adsorbimento con rigenerazione a freddo e uno con rigenerazione a caldo. Per ottenere un punto di rugiada sotto pressione di - 40°C con aria compressa satura a un temperatura in ingresso di 35°C e 7 barg:
· tempo di adsorbimento tipico di un essiccatore ad adsorbimento con rigenerazione a freddo = 5 minuti
tempo di adsorbimento tipico di un essiccatore ad adsorbimento con rii a caldo = 4 ÷ 8 ore
• tempo di adsorbimento tipico del nuovo essiccatore ìbrido = 1 3 ore.
Una soluzione alternativa a quella precedentemente descritta può essere realizzata sostituendo i due orifizi calibrati (188,189) e l’interposta resistenza elettrica (275) con un solo orifizio calibrato interposto fra due resistenze elettriche. Questa soluzione sarebbe comunque funzionale, anche se più costosa.
Un’ulteriore realizzazione alternativa potrebbe prevedere l’impiego di un solo orifizio calibrato associato ad una sola resistenza elettrica, per consentire il contenimento dei costo, ma penalizzando l'efficienza dell'apparecchiatura.
Un’altra realizzazione alternativa consiste nell’invertire il verso del flusso dell’aria durante le fasi di adsorbimento e rigenerazione all’interno delle colonne (160) e (170) in modo che durante la fase di adsorbimento l’aria compressa fluisca dall’alto verso il basso come in figura 6. In questo modo si elimina il problema della fluidizzazione durante la fase di adsorbimento. Per eliminare questo problema anche all’inizio della fase di riscaldamento che comincia con la depressurizzazione della colonna (160) o (170) , si possono aggiungere due piccole valvole (141 ) e (142) che sono collegate a monte alla parte bassa della colonna (170) e (160) rispettivamente e a valle all’ingresso del filtro silenziatore (150). La valvola (141) o (142) viene aperta all’inizio della fase di depressurizzazione per un tempo prefissato per scaricare la pressione dal serbatoio (160) o (170) rispettivamente mantenendo chiusa la valvola (140). Passato questo tempo prefissato la valvola (141) o (142) viene chiusa, si apre la valvola (140) e si avvia la resistenza (275) per procedere con la fase di riscaldamento sopra descritta.
Si sottolinea inoltre che la presente invenzione si riferisce all’essiccamento di aria compressa ma à ̈ valida per qualsiasi tipo di gas compresso.
Nel nuovo essiccatore ibrido, grazie quindi alla:
• modalità con la quale si à ̈ realizzata la fase di riscaldamento
• modalità con la quale si à ̈ realizzata la fase di raffreddamento
• sensibile riduzione della quantità specifica di materiale adsorbente,
si à ̈ riusciti a rigenerare (riscaldare e raffreddare) con una portata d'aria secca che varia tipicamente da circa un 4% a circa un 6% della portata in ingresso. Questa portata, se riferita all'intero ciclo, varia da circa un 2% a circa un 3% perché il tempo di pressurizzazione normalmente non viene ridotto al minimo per poter lavorare con una portata d’aria secca di rigenerazione più alta (ad es. circa il doppio) ed evitare che il fenomeno di condensazione o sopra descritto impedisca di espellere tutta l’acqua precedentemente adsorbita.
Va considerato che questi dati possono essere ulteriormente ^ | un materiale adsorbente che offra migliori prestazioni. Allo stato attuale deile eoo materiale adsorbente adatto à ̈ Silica Gel resistente all’acqua.
[0021] Un altro vantaggio che si ottiene con il nuovo essiccatore ibrido à ̈ il risparmio energetico ai carichi parziali, evitando di installare ed utilizzare un misuratore di punto di rugiada (molto costoso per le macchine di piccola capacità) come negli essiccatori ad adsorbimento attuali. Questo si può ottenere controllando la temperatura (T3) e fermando:
• la fase di riscaldamento quando la temperatura (T3) supera un prefissato valore che potrebbe variare da 30° a 60° C a seconda del tipo di materiale adsorbente utilizzato · la fase di raffreddamento quando la temperatura (T3) à ̈ inferiore ad un valore prefissato che potrebbe variare da 10° a 30° C.
infatti ai bassi carichi la quantità di acqua adsorbita, e quindi da de adsorbire, à ̈ piccola per cui durante la fase di riscaldamento la temperatura (T3) aumenta molto più velocemente che non in condizioni nominali. Se si interrompe questa fase controllando la (T3) si evita di sprecare aria compressa secca per il riscaldamento. Allo stesso modo, se durante la fase di raffreddamento la temperatura (T3) raggiunge il valore desiderato più velocemente, passare subito alla fase di pressurizzazione significa risparmiare energia.
[0022] Il controllo dei cicli operativi dell’apparecchiatura secondo l’invenzione può essere quindi effettuato secondo diverse modalità, in particolare:
1. con tempi di riscaldamento, raffreddamento e pressurizzazione fìssi per le colonne (160,170) contenenti il materiale adsorbente,
2. con tempi di riscaldamento e raffreddamento variabili in funzione dei valori di temperatura rilevati dal sensore (T3) e con tempi di pressurizzazione fissi.
Un'ulteriore possibilità di controllo del ciclo prevede di lavorare con tempi di riscaldamento e di raffreddamento variabili in funzione della temperatura rilevata dal sensore (T3) e con pressurizzazione variabile in funzione del punto di rugiada dell'aria compressa in uscita dall’essiccatore (300). In questo caso, si utilizza anche un sensore del punto di rugiada che, quando rileva un valore superiore ad un valore prefissato comanda l’alternanza operativa delle colonne (160,170). Questa modalità operativa à ̈ particolarmente vantaggiosa per risparmiare ulteriormente energia quando l’apparecchiatura funziona con carichi parziali.
[0023] Altri vantaggi si possono ottenere con un essiccatore ibrido secondo l’invenzione, e sono:
1. la migliore qualità dell’aria compressa grazie al fatto che il filtro disoleatore (110) à ̈ situato nella parte più fredda deirimpianto e quindi la concentrazione di olio che rimane nell’aria sarà inferiore;
2. la possibilità di poter far funzionare solo l’essiccatore frigorifero in estate risparmiando, quindi, energia per tutte quelle applicazioni in cui la richiesta di un punto di rugiada ad es. di - 40° C à ̈ dovuta alla necessità di evitare condensazione sulle distribuzione dell’aria compressa causata da basse temperature ambiente, potrebbe ottenere inserendo una valvola di bypass dell'essiccatore ad adsorbimento manuale o automatica e programmando opportunamente la centralina di controllo del nuovo essiccatore ibrido. Si può, in altre parole, realizzare un funzionamento Estate/Inverno;
3. la possibilità, con elevate temperature di ingresso deH’aria compressa (es. 40° -50° C) che penalizzano molto gli attuali essiccatori ad adsorbimento, di sovradimensionare solo il l’essiccatore frigorifero (circa 20% di maggior capacità per ogni 5° C di aumento della temperatura di ingresso deH’aria compressa nell’essiccatore ibrido rispetto alle condizioni nominali, norma ISO 7183). In alcune situazioni l’essiccatore ibrido à ̈ la sola alternativa percorribile a meno di non installare sistemi dì raffreddamento dell’aria compressa.
Da notare, inoltre, che il nuovo essiccatore ibrido sarà dotato di un’unica centralina di controllo (non mostrata nelle figure) che riceverà i segnali provenienti dalle sonde di temperatura (T1-T3) e comanderà tutte le valvole dell’apparecchiatura sulla base dei rispettivi programmi operativi.
[0024] Per il calcolo del consumo energetico specifico del nuovo essiccatore ibrido con riferimento alle prescrizioni secondo la norma ISO 7183 (35° C temperatura ingresso aria compressa satura e pressione 7 barg) e - 40° C punto di rugiada sotto pressione si devono considerare tre condizioni:
· potenza assorbita dall’essiccatore frigorifero: circa 0,10 kW/(m<3>/min);
• potenza per produrre circa 2,5% di portata d’aria compressa per la rigenerazione: circa 0,15 kW/(m<3>/min) se si assume che per produrre aria compressa a 7 barg sono necessari circa 6 kW/(m<3>/min);
• potenza elettrica per il riscaldamento dell’aria secca: circa 0,08 kW/(m<3>/min); per un totale di circa 0,33 kW/(m<3>/min).
In sintesi, rispetto ai tipi più comuni di essiccatori ad adsorbimento si ha (valori indicativi):
Essiccatore ad Essiccatore ad Essiccatore ibrido adsorbimento con adsorbimento con secondo l’invenzione rigenerazione a rigenerazione a
freddo caldo
Potenza totale 1 0,51 0,33 specifica (1) kW
/(m 3/m in)
(1): secondo la norma ISO 7183 (35° C temperatura ingresso aria compressa umida satura e pressione 7 barg) e -40° C punto di rugiada sotto pressione
Owiamente, se il punto di rugiada e temperatura in ingresso all’essiccato superiore a 3° C, la portata d’aria compressa secca per la rigenerazione de aumentata. Ad es. se il punto di rugiada à ̈ 7° C, la quantità di acqua da adsorbire
circa il 30% per cui, indicativamente, quella portata dovrebbe essere aumentata di conseguenza.
[0025] In conclusione, il nuovo essiccatore ibrido si differenzia da quelli finora conosciuti per:
• un nuovo modo di rigenerare il materiale adsorbente
• una riduzione sensibile del contenuto di materiale adsorbente (sostanzialmente in linea con la riduzione della quantità d’acqua da adsorbire) con riduzione sia del diametro (tale comunque da evitare il fenomeno delia fluidizzazione) che, soprattutto, dell’altezza delle colonne
• l’uso esclusivo di una piccola percentuale di aria compressa secca per le fasi di riscaldamento e di raffreddamento,
· un costo di impianto inferiore (si stima circa il 30% in meno) e un consumo energetico almeno il 20% più basso rispetto ad un essiccatore con rigenerazione a caldo.
• essere conveniente anche per piccole e medie portate d’aria rispetto agli essiccatori con rigenerazione a freddo (periodo di payback inferiore ad un anno grazie a un consumo energetico inferiore almeno del 60%) laddove un essiccatore ibrido attuale ha dei costi improponibili.
• poter essere facilmente contenuto all'interno di un unico cofano grazie alla dimensione ridotta delle colonne,
• di risparmiare energia al variare del carico controllando la temperatura di uscita dell’aria di rigenerazione durante le fasi di riscaldamento e raffreddamento.
· avere dei costi di manutenzione ridotti grazie alla riduzione della carica di materiale adsorbente in quanto se ne consiglia il cambio ogni 1-2 anni,
ed à ̈ caratterizzato da consumi energetici specifici in linea con quelli dichiarati dagli essiccatori ibridi attuali, cioà ̈ circa 0,33 kW/(m<3>/min).

Claims (9)

  1. '†̃PROCEDIMENTO E APPARECCHIO PER L’ESSICCAZIONE DI GAS COMPRESSO RIVENDICAZIONI 1. Apparecchiatura ibrida per l’essiccazione di aria compressa, costituita da un essiccatore ad adsorbimento (300) disposto a valle di un essiccatore a refrigerazione (100), in cui l’essiccatore a refrigerazione (100) comprende un recuperatore di calore (10), un evaporatore (40) e un dispositivo (80,90) per separare e scaricare la condensa, e in cui l’essiccatore ad adsorbimento (300) comprende una prima colonna (160) e una seconda colonna (170) che contengono materiale adsorbente e che sono inserite in un circuito per l’aria compressa in modo da lavorare, alternativamente, in fase di adsorbimento e in fase di rigenerazione, e in cui l’aria compressa che entra nell’essiccatore (300) viene prelevata fredda dal separatore di condensa (80) e dopo essere passata per un filtro disoleatore (110), e l’aria che esce dall'essiccatore (300) ritorna al recuperatore di calore (10) dopo essere passata per un filtro antipolvere (240), caratterizzata dal fatto che detta prima colonna (160) e detta seconda colonna (170) sono collegato tramite un condotto (180) provvisto di almeno un orifizio calibrato (188,189) associato ad almeno un riscaldatore (275), in modo da ridurre la differenza di portata tra i flussi di aria compressa passanti nel condotto (180), rispettivamente, durante le fasi di riscaldamento e di raffreddamento del materiale adsorbente.
  2. 2. Apparecchiatura ibrida per l'essiccazione di aria compressa secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta prima colonna (160) e detta seconda colonna (170) sono collegate tramite un condotto (180) provvisto di due riscaldatori tra i quali à ̈ interposto un orifizio calibrato.
  3. 3. Apparecchiatura ibrida per l’essiccazione di aria compressa secondo la rivendicazione 1 , caratterizzata dal fatto che detta prima colonna (160) e detta seconda colonna (170) sono collegate tramite un condotto (180) provvisto di due orifizi calibrati (188,189) tra i quali à ̈ inserito un riscaldatore (275).
  4. 4. Apparecchiatura ibrida per l’essiccazione di aria compressa rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detti due orifizi calibrati (188,1 medesima dimensione. 5.
  5. 5. Apparecchiatura ibrida per l’essiccazione di aria compressa secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto che sono previste due sonde di temperatura (T1 e T2), inserite net condotto (180), per controllare il riscaldatore (275).
  6. 6. Apparecchiatura ibrida per l’essiccazione di aria compressa secondo una rivendicazione da 1 a 5, comprendente un gruppo valvolare (130) per alimentare selettivamente l’aria compressa alla colonne (160,1 70) dell’essiccatore ad adsorbimento, caratterizzata dal fatto che à ̈ prevista almeno una sonda di temperatura (T3), in serie con una valvola (140) e un filtro silenziatore (150), per controllare il sia il riscaldamento che il raffreddamento del materiale adsorbente nelle colonne (160,170), in base alla temperatura dell’aria che viene scaricata neN’ambiente esterno durante la rigenerazione delle colonne (160 e 170).
  7. 7. Apparecchiatura ibrida per l’essiccazione di aria compressa secondo la rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto che sono previste due sonde di temperatura (T3) disposte nella parte inferiore delle colonne (160,170), rispettivamente.
  8. 8. Procedimento per essiccare aria compressa mediante l’impiego di un essiccatore di tipo ibrido, costituito da un essiccatore a refrigerazione (100) comprendente un recuperatore di calore (10) e disposto a monte di un essiccatore ad adsorbimento (300), quest’ultimo comprendendo una prima colonna (160) e una seconda colonna (170) che contengono materiale adsorbente, in cui l'aria compressa che esce dall’essiccatore ad adsorbimento (300) ritorna al recuperatore di calore dell’essiccatore a refrigerazione, il procedimento comprendendo le seguenti fasi che si alternano nei due serbatoi: (i) adsorbimento dell’umidità presente nell'aria compressa facendo passare l'aria compressa dal basso verso l’alto o dall’alto verso il basso nella prima colonna fino a raggiungere il punto di rugiada desiderato, (ii) depressurizzazione della seconda colonna; (iii) riscaldamento con espansione a monte e/o a valle dell'elemento scaldante, dell’aria compressa che esce dalla prima colonna e che viene immessa nella seconda colonna in direzione opposta rispetto a quella in cui fluiva l’aria compressa nella fase di adsorbimento; (iv) raffreddamento del materiale adsorbente fino ad una temperatura prossima a quella dell’aria compressa che esce dal separatore di condensa dell’essiccatore (100) mediante l’uso di aria compressa che esce dalla prima colonna, che viene fatta espandere alla pressione atmosferica e che viene immessa nella secon e (v) pressurizzazione della seconda colonna fino alla medesima pressione prima colonna per consentire la ripetizione del ciclo; il metodo essendo caratterizzato dal fatto che: • nella fase di riscaldamento viene immesso dentro alla colonna in fase di rigenerazione una quantità di calore minima sufficiente a de-adsorbire e scaricare la quantità d’acqua adsorbita nella precedente fase di adsorbimento, • nella fase di raffreddamento viene immesso nella colonna un flusso di aria compressa secca fredda ed espansa in modo da raffreddare la parte superiore del materiale di adsorbimento fino alla temperatura dell'aria di ingresso fredda e per un tempo tale da raffreddare la parte inferiore del materiale di adsorbimento fino ad una temperatura (T3) prefissata.
  9. 9. Procedimento per essiccare aria compressa secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che la quantità di calore minima immessa nella fase di riscaldamento dentro alla colonna in fase di rigenerazione corrisponde ad una portata pari a circa il 4-6% di aria compressa secca e riscaldata ad una temperatura di circa 130-200°C che fluisce per un tempo minimo sufficiente a creare un profilo di temperatura dentro alla colonna tale che al termine della fase di riscaldamento la temperatura superiore nella colonna si porta alla temperatura di ingresso dell'ana secca di rigenerazione, mentre quella inferiore (T3) consente l’arresto della fase di riscaldamento quando supera un valore prefissato dipendente dal materiale adsorbente utilizzato e dal grado di rigenerazione che si vuole ottenere e che tipicamente può variare da circa 30° C a circa 80°C. Procedimento per essiccare aria compressa secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che la fase di pressurizzazione di una colonna può continuare per un tempo molto più lungo del minimo necessario (circa 1 minuto) per sfruttare al massimo la capacità di adsorbimento dell’altra colonna che sta lavorando in fase di adsorbimento.
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