ITRM20070194A1

ITRM20070194A1 - SOLAR POWER COOLING SYSTEM.

Info

Publication number: ITRM20070194A1
Authority: IT
Inventors: Franco Cancellieri
Original assignee: Franco Cancellieri
Priority date: 2007-04-06
Filing date: 2007-04-06
Publication date: 2008-10-07

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

a corredo di una domanda di brevetto per INVENZIONE dal titolo: accompanying a patent application for INVENTION entitled:

"Impianto di raffreddamento ad alimentazione solare" "Solar powered cooling system"

La presente invenzione concerne un impianto di raffreddamento ad alimentazione solare. The present invention relates to a solar powered cooling system.

Più in particolare l'invenzione si riferisce ad un impianto di raffreddamento ad alimentazione solare che utilizza un ciclo frigorifero a compressione -espansione e in cui la raccolta della radiazione so-lare, che avviene mediante un collettore a lenti Fresnel, permette di comprimere un fluido di lavoro uti-lizzato per comprimere a sua volta un fluido frigori-geno in un impianto a ciclo Rankine inverso. More particularly, the invention relates to a solar-powered cooling system which uses a compression-expansion refrigeration cycle and in which the collection of the solar radiation, which takes place by means of a Fresnel lens collector, allows a fluid to be compressed. of work used to compress in turn a refrigerant fluid in an inverse Rankine cycle plant.

Gli impianti di raffreddamento noti utilizzano energia elettrica ottenuta generalmente dalla combu-stione di combustibili fossili, ovvero da fonti di energia inquinanti e non rinnovabili, ovvero destina-te, prima o poi con il passare degli anni, all ' esaurimento. Known cooling plants use electrical energy generally obtained from the combustion of fossil fuels, or from polluting and non-renewable energy sources, or destined, sooner or later with the passing of the years, to exhaustion.

In particolare, gli impianti di raffreddamento di tipo noto sono classificabili in base al ciclo frigorifero che utilizzano. In particular, known-type cooling systems can be classified according to the refrigeration cycle they use.

Un ciclo frigorifero è un ciclo termodinamico in grado di trasferire calore da una sorgente a bassa temperatura a un ricevitore ad alta temperatura. A refrigeration cycle is a thermodynamic cycle capable of transferring heat from a low temperature source to a high temperature receiver.

In base al primo principio della termodinamica, per trasferire calore tra due corpi è necessario che la temperatura del corpo che cede calore (sorgente) sia maggiore di quella del corpo che riceve il calore (ricevitore). In base al primo principio della termodinamica, quindi, non è possibile raffreddare un cor-po se non si ha a disposizione un corpo a temperatura più bassa. According to the first principle of thermodynamics, in order to transfer heat between two bodies it is necessary that the temperature of the body that gives off heat (source) is higher than that of the body that receives the heat (receiver). According to the first principle of thermodynamics, therefore, it is not possible to cool a body if a body at a lower temperature is not available.

Per ovviare a tale ostacolo fisico, Lord Kelvin ideò un ciclo termodinamico in cui, grazie all'energia fornita da un compressore, una sorgente calda cede calore (a bassa temperatura) ad un fluido intermedio (o fluido frigorigeno) , che conseguente-mente cambia stato e passa alla fase gassosa. Il fluido intermedio viene quindi compresso e cede calo-re ad un ricevitore (ad alta temperatura) cambiando nuovamente stato e tornando alla fase liquida. Grazie a questo ciclo, è possibile raffreddare un corpo (sorgente) anche senza disporre di ricevitori a tem peratura inferiore. Questo tipo di ciclo è largamente utilizzato negli impianti frigoriferi e nei condizio-natori d'aria. To overcome this physical obstacle, Lord Kelvin devised a thermodynamic cycle in which, thanks to the energy supplied by a compressor, a hot source transfers heat (at low temperature) to an intermediate fluid (or refrigerant fluid), which consequently changes state and passes to the gas phase. The intermediate fluid is then compressed and releases heat to a (high temperature) receiver changing state again and returning to the liquid phase. Thanks to this cycle, it is possible to cool a body (source) even without having lower temperature receivers. This type of cycle is widely used in refrigeration systems and air conditioners.

Il ciclo frigorifero può anche essere utilizza-to per scaldare un corpo a partire da una sorgente a bassa temperatura; in questo caso si parla di pompa di calore. The refrigeration cycle can also be used to heat a body starting from a low temperature source; in this case we speak of a heat pump.

Nel ciclo frigorifero è essenziale l'impiego di un fluido intermedio, che ciclicamente viene fatto evaporare e successivamente condensare. La scelta del fluido intermedio da utilizzare in un ciclo frigori-fero è quindi un aspetto fondamentale da considerare in base all'esigenza di conciliare la temperatura del corpo freddo con quella della sorgente calda. In the refrigeration cycle, the use of an intermediate fluid is essential, which is cyclically evaporated and subsequently condensed. The choice of the intermediate fluid to be used in a refrigeration cycle is therefore a fundamental aspect to be considered based on the need to reconcile the temperature of the cold body with that of the hot source.

Oltre al ciclo frigorifero a compressione, è altresì relativamente diffuso un diverso tipo di ci-clo frigorifero, ovvero il ciclo frigorifero ad as-sorbimento, in cui viene sfruttato il calore di dis-soluzione di un soluto in un solvente (generalmente acqua) che viene ciclicamente concentrato e diluito. Il ciclo frigorifero ad assorbimento, ideato da Fer-dinand Carré, è precedente al ciclo a compressione. In addition to the compression refrigeration cycle, a different type of refrigeration cycle is also relatively widespread, namely the absorption refrigeration cycle, in which the dissolving heat of a solute in a solvent (generally water) is exploited. it is cyclically concentrated and diluted. The absorption refrigeration cycle, conceived by Fer-dinand Carré, precedes the compression cycle.

Sia nel caso del ciclo frigorifero a compres-sione che in quello del ciclo frigorifero ad assorbi-mento le trasformazioni termodinamiche interessate permettono di prelevare una determinata quantità di calore da un corpo a temperatura inferiore o "serba-toio freddo" e cederlo ad un "serbatoio caldo" che solitamente coincide con l'atmosfera. Both in the case of the compression refrigeration cycle and in that of the absorption refrigeration cycle, the thermodynamic transformations involved make it possible to take a certain quantity of heat from a body at a lower temperature or "cold tank" and transfer it to a " hot reservoir "which usually coincides with the atmosphere.

Per svolgere la loro funzione, entrambi questi processi richiedono apporto di energia dall'esterno. Both of these processes require external energy to perform their function.

Attualmente, la maggior parte dell'energia con-sumata nel mondo è ottenuta da fonti di energia non rinnovabili, ovvero destinate, prima o poi con il passare degli anni, all'esaurimento. Tra queste, si-curamente la quota maggiore spetta alla combustione diretta di idrocarburi, che sviluppa calore, a sua volta utilizzato per generare energia meccanica che, nel caso si voglia ottenere energia elettrica, viene ulteriormente convertita in elettricità. Ognuno dei passaggi appena citati comporta però una certa perdi-ta energetica, che implica la diminuzione del rendi-mento ottenibile, calcolato come potenza effettiva-mente utilizzabile rispetto a quella nominalmente di-sponibile. All'atto pratico, quindi, i rendimenti dei generatori elettrici a combustione interna sono molto bassi . Currently, most of the energy consumed in the world is obtained from non-renewable energy sources, or destined, sooner or later over the years, to run out. Of these, the largest share is undoubtedly due to the direct combustion of hydrocarbons, which develops heat, which in turn is used to generate mechanical energy which, in the case of obtaining electrical energy, is further converted into electricity. However, each of the aforementioned steps involves a certain energy loss, which implies a decrease in the yield that can be obtained, calculated as the power actually usable with respect to that nominally available. In practice, therefore, the efficiencies of internal combustion electric generators are very low.

Per migliorare il rendimento dei generatori elettrici si ricorre sempre più spesso ad impianti di trasformazione diretta dell'energia chimica in energià elettrica (potendo poi convertire l'energia elet-trica in energia meccanica con rendimenti ugualmente molto elevati) . In questa ottica si sono moltiplicati negli ultimi anni gli studi sulle celle a combustibi-le e sulle pile da esse ottenute. To improve the efficiency of electric generators, plants for the direct transformation of chemical energy into electrical energy are increasingly used (being able to convert electrical energy into mechanical energy with equally high yields). With this in mind, studies on fuel cells and the batteries obtained from them have multiplied in recent years.

Nonostante il miglior rendimento di trasforma-zione di energia, anche questo tipo di generatori de-vono essere annoverati tra quelli che fanno uso di fonti non rinnovabili. Quindi, il loro utilizzo può solo ritardare, ma non impedire, l'esaurimento della fonte energetica di cui fanno uso. Despite the best energy transformation efficiency, also this type of generators must be counted among those that make use of non-renewable sources. Therefore, their use can only delay, but not prevent, the depletion of the energy source they use.

Un approccio totalmente diverso è perseguito dalle macchine di produzione di energia meccanica e/o elettrica alimentate da fonti energetiche rinnovabi-li. Questo tipo di dispositivi, infatti, fanno uso di fonti di energia che per loro caratteristica intrin-seca sono in grado di rigenerarsi in continuo o che comunque non sono "esauribili" nella scala dei tempi percepibili dall'uomo o dalla società. A scopo pura-mente esemplificativo, secondo la normativa di rife-rimento italiana (D.L.:16 marzo 1999, n.79) vengono considerate "rinnovabili": " . . . il sole , il vento , le risorse idriche, le risorse geotermiche, le maree, il moto ondoso e la trasformazione in energia elettrica dei prodotti vegetali o dei rifiuti organici e inorganici" . A totally different approach is pursued by mechanical and / or electrical energy production machines powered by renewable energy sources. This type of devices, in fact, make use of energy sources which by their intrinsic characteristic are capable of continuously regenerating themselves or which in any case are not "exhaustible" in the time scale perceivable by man or society. For purely illustrative purposes, according to the Italian reference legislation (D.L.:16 March 1999, n.79) the following are considered "renewable": "... The sun, the wind, the water resources, the geothermal resources, tides, wave motion and the transformation into electrical energy of plant products or organic and inorganic waste ".

Risulta evidente come questo tipo di fonti di energia possono permettere il cosiddetto sviluppo so-stenibile dell'uomo, ovvero uno sviluppo che non esaurisce o danneggia le risorse naturali ma piuttosto è in grado di fruirne per un tempo indeterminato. It is evident how this type of energy sources can allow the so-called sustainable development of man, that is a development that does not exhaust or damage natural resources but rather is able to use them for an indefinite time.

Alcuni di questi tipi di energia (in particola-re quella solare) hanno anche il vantaggio di poter essere microgenerate, ossia prodotte in piccoli im-pianti che possono soddisfare il bisogno energetico di una singola abitazione, un piccolo gruppo di abi-tazioni o altri impianti di dimensioni contenute per uso terziario o industriale. Questo permette di ri-sparmiare l'energia che si perde nella fase di di-stribuzione di energia elettrica, per esempio sugli elettrodotti . Some of these types of energy (in particular solar energy) also have the advantage of being microgenerated, i.e. produced in small plants that can satisfy the energy needs of a single house, a small group of houses or others. small-sized systems for tertiary or industrial use. This makes it possible to save the energy that is lost in the phase of distribution of electrical energy, for example on the power lines.

In questo contesto viene ad inserirsi la solu-zione secondo la presente invenzione, che si propone di fornire un impianto di raffreddamento ad alimenta-zione solare che utilizza un ciclo frigorifero a com-pressione - espansione e in cui la raccolta della ra-diazione solare, che avviene mediante un collettore a lenti Fresnel, permette di comprimere un fluido di lavoro, denominato fluido primario termico, utilizza-to per comprimere a sua volta un fluido frigorigeno 0 anche derivato frigorigeno, in un impianto a ciclo Rankine inverso. In this context, the solution according to the present invention is inserted, which proposes to provide a solar powered cooling system which uses a compression - expansion refrigeration cycle and in which the collection of solar radiation , which takes place by means of a Fresnel lens manifold, allows to compress a working fluid, called thermal primary fluid, used to compress in turn a refrigerant fluid or even a refrigerant derivative, in a reverse Rankine cycle system.

Infatti, secondo l'invenzione, e come sarà me-glio spiegato in seguito, questo tipo di impianti co-niuga al meglio le diverse esigenze ambientali e di efficienza sopra esposte. In fact, according to the invention, and as will be better explained hereinafter, this type of plant best combines the different environmental and efficiency requirements described above.

Scopo della presente invenzione è quindi quello di realizzare un impianto di raffreddamento che per-metta di ottenere i risultati tecnici precedentemente descritti, superando i limiti dei dispositivi secondo la tecnologia nota. The object of the present invention is therefore to provide a cooling system which allows to obtain the technical results described above, overcoming the limits of the devices according to the known technology.

Ulteriore scopo dell'invenzione è che detto im-pianto di raffreddamento possa essere realizzato con costi sostanzialmente contenuti, sia per quanto ri-guarda i costi di produzione che per quanto concerne 1 costi di gestione e lavorazione. A further object of the invention is that said cooling system can be produced with substantially contained costs, both as regards production costs and as regards management and processing costs.

Non ultimo scopo dell'invenzione è quello di realizzare un impianto che sia sostanzialmente sem-plice, sicuro ed affidabile. Not least object of the invention is that of realizing a plant which is substantially simple, safe and reliable.

Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione un impianto di raffreddamento ad alimenta-zione solare a ciclo frigorifero del tipo a compres-sione ed espansione di un fluido frigorigeno, in un circuito frigorifero, in cui la compressione del fluido frigorigeno è ottenuta mediante un compressore azionato da un fluido primario termico, in un circui-to primario termico, detto fluido primario termico essendo compresso per effetto del calore raccolto me-diante almeno un collettore solare. Therefore, the specific object of the present invention is a cooling system with solar power supply with a refrigerating cycle of the compression and expansion type of a refrigerant fluid, in a refrigerating circuit, in which the compression of the refrigerant fluid is obtained by means of an operated compressor. by a thermal primary fluid, in a thermal primary circuit, said thermal primary fluid being compressed by the effect of the heat collected by at least one solar collector.

In particolare, secondo l'invenzione, detto circuito frigorifero comprende, a valle di detto com-pressore, successivamente uno scambiatore di calore per il raffreddamento del fluido frigorigeno compres-so, un condensatore, una valvola di espansione e un evaporatore, da cui detto circuito torna a detto com-pressore, mentre detto circuito primario termico com-prende, a valle di detto compressore, successivamente uno scambiatore di calore per il raffreddamento del fluido primario termico, un condensatore, detto alme-no un collettore solare e un vaso di raccolta, da cui detto circuito torna a detto compressore. In particular, according to the invention, said refrigeration circuit comprises, downstream of said compressor, subsequently a heat exchanger for cooling the compressed refrigerant fluid, a condenser, an expansion valve and an evaporator, from which said circuit returns to said compressor, while said primary thermal circuit comprises, downstream of said compressor, subsequently a heat exchanger for cooling the primary thermal fluid, a condenser, called at least a solar collector and a collection, from which said circuit returns to said compressor.

Preferibilmente, secondo l'invenzione, detto almeno un collettore solare è un collettore solare a lenti Fresnel, che concentrano la radiazione solare su un riscaldatore solare dotato di una camera di scambio termico, alla quale detto fluido primario termico giunge attraverso un condotto di ingresso e dal quale detto fluido primario termico esce attra-verso un condotto di uscita, previa apertura di una valvola controllata da un controllore di pressione. Preferably, according to the invention, said at least one solar collector is a solar collector with Fresnel lenses, which concentrate the solar radiation on a solar heater equipped with a heat exchange chamber, to which said primary thermal fluid reaches through an inlet duct and from which said primary thermal fluid exits through an outlet duct, after opening a valve controlled by a pressure controller.

Inoltre, secondo l'invenzione, detto impianto di raffreddamento comprende preferibilmente una plu-ralità di condensatori solari collegati in parallelo. Furthermore, according to the invention, said cooling system preferably comprises a plurality of solar capacitors connected in parallel.

Sempre secondo l'invenzione, detto compressore comprende un primo cilindro, in collegamento fluido con detto circuito primario termico, e al cui interno scorre un pistone, e un secondo cilindro o camera di compressione, in collegamento fluido con detto cir-cuito frigorifero, al cui interno scorre un secondo pistone, detto primo pistone e detto secondo pistone essendo collegati in maniera rigida attraverso un'asta realizzata in materiale termicamente isolante o provvista di giunto di disconnessione termica. Still according to the invention, said compressor comprises a first cylinder, in fluid connection with said primary thermal circuit, and inside which a piston slides, and a second cylinder or compression chamber, in fluid connection with said refrigerant circuit, at the inside which a second piston slides, said first piston and said second piston being rigidly connected through a rod made of thermally insulating material or provided with a thermal disconnection joint.

Preferibilmente, secondo la presente invenzio-ne, detto primo cilindro e detto primo pistone, hanno diametro maggiore di quello di detto secondo cilindro o camera di compressione e detto secondo pistone, all'interno di detta camera di compressione è dispo-sta una molla che contrasta l'avanzamento di detto secondo pistone e detta asta, che collega rigidamente detto primo pistone e detto secondo pistone. Preferably, according to the present invention, said first cylinder and said first piston have a larger diameter than that of said second cylinder or compression chamber and said second piston, inside said compression chamber there is a spring which it contrasts the advancement of said second piston and said rod, which rigidly connects said first piston and said second piston.

Inoltre, secondo l'invenzione, detto fluido primario termico e detto fluido frigorigeno sono fluidi organici con elevate caratteristiche di espandibilità e di trasferimento di calore, preferibilmente HFC-245fa, ovvero il composto chimico 1,1,1,3, 3-pentaf luoropropano, oppure detto fluido primario ter-mico è CO2. Furthermore, according to the invention, said thermal primary fluid and said refrigerating fluid are organic fluids with high expandability and heat transfer characteristics, preferably HFC-245fa, i.e. the chemical compound 1,1,1,3, 3-pentafluoropropane or said primary thermal fluid is CO2.

Alternativamente, secondo l'invenzione, detto condensatore è raffreddato ad acqua oppure ad aria, in quest'ultimo caso l'impianto comprendendo ulte-riormente una pompa eliotermica, disposta a valle di detto condensatore, per convogliare aria al condensa-tore per effetto camino. Alternatively, according to the invention, said condenser is cooled by water or by air, in the latter case the plant further comprising a heliothermic pump, arranged downstream of said condenser, to convey air to the condenser due to the chimney effect. .

Risulta evidente l'efficacia di un impianto di raffreddamento ad alimentazione solare come quello della presente invenzione, che permette di perseguire i seguenti vantaggi: The effectiveness of a solar powered cooling system such as the one of the present invention is evident, which allows to pursue the following advantages:

- generazione autonoma e decentralizzata da sorgenti rinnovabili dell'energia elettrica necessa-ria al funzionamento, - autonomous and decentralized generation from renewable sources of the electricity necessary for operation,

- riduzione delle emissioni in atmosfera di Coxe Nox, nel rispetto degli impegni sottoscritti dagli aderenti al protocollo di Kyoto. - reduction of Coxe Nox emissions into the atmosphere, in compliance with the commitments signed by the members of the Kyoto protocol.

La presente invenzione verrà ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, con particolare ri-ferimento alle figure dei disegni allegati, in cui: The present invention will now be described, for illustrative but not limitative purposes, according to its preferred embodiments, with particular reference to the figures of the attached drawings, in which:

- la figura 1 mostra uno schema generale di im-pianto frigorifero a ciclo inverso a compressione espansione, dello stesso tipo di quello della presen-te invenzione; - Figure 1 shows a general scheme of a reverse cycle refrigeration system with compression expansion, of the same type as that of the present invention;

- la figura 2 mostra, su un diagramma temperatura-entropia, l'andamento di una macchina a ciclo Rankine inverso in cui il fluido di processo è HFC-245fa; - figure 2 shows, on a temperature-entropy diagram, the trend of an inverse Rankine cycle machine in which the process fluid is HFC-245fa;

- la figura 3 mostra una vista trasversale in sezione di un collettore solare usato come compresso-re del fluido di lavoro secondo la presente invenzio-ne; Figure 3 shows a cross sectional view of a solar collector used as a compressor of the working fluid according to the present invention;

- la figura 4 mostra uno schema della porzione di compressione di un impianto di raffreddamento ad alimentazione solare secondo la presente invenzione, con una pluralità di collettori solari del tipo mo-strato nella figura 3; e Figure 4 shows a diagram of the compression portion of a solar powered cooling system according to the present invention, with a plurality of solar collectors of the type shown in Figure 3; And

- la figura 5 mostra uno schema complessivo di un impianto di raffreddamento ad alimentazione solare secondo la presente invenzione. Figure 5 shows an overall diagram of a solar powered cooling system according to the present invention.

Un impianto di raffreddamento ad alimentazione solare secondo la presente invenzione utilizza un ci-clo frigorifero a compressione - espansione che uti-lizza una trasformazione Rankine percorsa in senso inverso . A solar powered cooling system according to the present invention utilizes a compression-expansion refrigeration cycle which utilizes a Rankine transformation traversed in reverse.

Facendo riferimento alla figura 1, un impianto di questo tipo comprende un compressore 11 in cui il fluido frigorigeno subisce una compressione, un con-densatore 12, il cui il fluido condensa cedendo calo-re, una valvola di espansione 13 e infine un evapora-tore 14 in cui il fluido frigorigeno, prima di essere nuovamente inviato al compressore il, viene fatto evaporare assorbendo calore dall'esterno. With reference to Figure 1, a plant of this type comprises a compressor 11 in which the refrigerant fluid undergoes compression, a condenser 12, the fluid of which condenses giving heat, an expansion valve 13 and finally an evaporator. tank 14 in which the refrigerant fluid, before being sent again to the compressor 11, is evaporated by absorbing heat from the outside.

Secondo la tecnica nota, il compressore il è generalmente un compressore centrifugo, oppure un compressore a pistoni. Nel caso della presente inven-zione, come sarà meglio illustrato con riferimento alle figure 4 e 5, nel compressore il fluido frigori-geno gassoso viene compresso attraverso un pistone spinto da un fluido primario termico gassoso compres-so, che ha subito una variazione di stato da liquido a gassosa a volume costante, per effetto dell'energia fornita dalla radiazione solare incidente. According to the known art, the compressor 11 is generally a centrifugal compressor, or a piston compressor. In the case of the present invention, as will be better illustrated with reference to Figures 4 and 5, in the compressor the gaseous refrigerating fluid is compressed through a piston pushed by a compressed gaseous thermal primary fluid, which has undergone a variation of liquid to gaseous state at constant volume, due to the energy supplied by the incident solar radiation.

Il condensatore 12 è invece costituito, sempre secondo la tecnica nota, da uno scambiatore di calo-re, generalmente costituito da una serpentina provvi-sta di alette di raffreddamento. The condenser 12, on the other hand, is constituted, again according to the known art, by a heat exchanger, generally consisting of a coil provided with cooling fins.

La valvola di espansione 13 è una valvola di laminazione costituita da un condotto parzialmente strozzato, mentre l'evaporatore 14 è uno scambiatore di calore, in genere composto da una serpentina prov-vista di alette di raffreddamento, collocata all'interno del locale o della cella da raffreddare. Facendo riferimento anche alla figura 2, in cui è mostrato su un diagramma temperatura-entropia l'andamento delle trasformazioni che avvengono in una macchina secondo la presente invenzione, nel caso in cui il fluido di processo è HFC-245fa, è facile rico-noscere una somiglianza tra questo ciclo e il ciclo di Rankine ad acqua con surriscaldamento del vapore. Il ciclo frigorifero si svolge nel campo dei vapori surriscaldati e nel campo del gas saturo, mentre il ciclo Rankine diretto occupa anche una regione del liquido al di fuori della relativa curva limite. I-noltre, nel caso del ciclo frigorifero, al posto del-la macchina motrice (turbina o compressore recipro-co), sono previsti una valvola di laminazione e un evaporatore e il ciclo viene percorso in senso inver-so . The expansion valve 13 is a lamination valve consisting of a partially throttled duct, while the evaporator 14 is a heat exchanger, generally composed of a coil provided with cooling fins, located inside the room or cell to be cooled. Referring also to figure 2, in which the trend of the transformations that occur in a machine according to the present invention is shown on a temperature-entropy diagram, in the case in which the process fluid is HFC-245fa, it is easy to recognize a similarity between this cycle and the Rankine cycle with steam superheating. The refrigeration cycle takes place in the superheated vapor range and in the saturated gas range, while the direct Rankine cycle also occupies a region of the liquid outside the relative limit curve. Furthermore, in the case of the refrigeration cycle, instead of the driving machine (turbine or reciprocal compressor), a lamination valve and an evaporator are provided and the cycle is carried out in the reverse direction.

Nei componenti del circuito, il fluido subisce le trasformazioni termodinamiche indicate nel dia-gramma T-S della figura 2 tramite i punti 1, 2, 2', 3 e 4, alle quali conseguono variazioni di pressione, volume e temperatura del fluido stesso. Nella presen-te trattazione, tutte queste trasformazioni vengono schematizzate come se accadessero per stati di equi-librio . In realtà ciò non avviene, alcuni processi essendo irreversibili. Conseguentemente, la presente trattazione si concentra su una situazione teorica, non riproducibile fisicamente. Nondimeno, la descri-zione del ciclo che segue permette di schematizzare le diverse fasi che avvengono nella macchina in ma-niera sufficiente ad illustrare il funzionamento del-la macchina stessa. In the components of the circuit, the fluid undergoes the thermodynamic transformations indicated in the T-S diagram of figure 2 through points 1, 2, 2 ', 3 and 4, which result in variations in pressure, volume and temperature of the fluid itself. In the present discussion, all these transformations are schematized as if they happened for states of equilibrium. In reality this does not happen, some processes being irreversible. Consequently, the present discussion focuses on a theoretical situation, not physically reproducible. Nevertheless, the description of the following cycle allows to schematize the different phases which take place in the machine in a sufficient manner to illustrate the operation of the machine itself.

Nel suo insieme, il ciclo di trasformazione co-stituisce un sistema chiuso. Ai fini di una sua ana-lisi, il ciclo può essere schematizzato come una suc-cessione di quattro sistemi aperti. Taken as a whole, the transformation cycle constitutes a closed system. For the purposes of its analysis, the cycle can be schematized as a succession of four open systems.

Facendo riferimento alla figura 2, ma anche al-la figura 1, il fluido frigorigeno, che arriva nel compressore 11 provenendo dalla cella frigorifera al-lo stato gassoso, subisce una compressione adiabatica e reversibile, schematizzata nel diagramma T-S con la trasformazione compresa tra il punto 1 e il punto 2. Conseguentemente, il fluido frigorigeno giunge al condensatore 12 in condizioni di pressione elevata e fortemente riscaldato. Il fluido frigorigeno percorre quindi la serpentina del condensatore 12 cedendo ver-so l'ambiente una quantità di calore (per unità di massa e di tempo) q32, e conseguentemente si raffred-da e successivamente condensa a pressione costante. Nel diagramma T-S della figura 2, questa trasformazione è rappresentata dai due tratti consecutivi 2-2' e 2'-3. Infatti, il tratto 2-2 ' rappresenta la fase di raffreddamento che avviene nel campo del gas sur-riscaldato, mentre il tratto 2 ' -3 rappresenta la fase di condensazione, in cui il titolo della miscela liquido-gassosa cambia da 1 a 0 e la temperatura si mantiene costante. With reference to Figure 2, but also to Figure 1, the refrigerant fluid, which arrives in the compressor 11 coming from the cold room in the gaseous state, undergoes an adiabatic and reversible compression, schematized in the T-S diagram with the transformation included between point 1 and point 2. Consequently, the refrigerant fluid reaches the condenser 12 under conditions of high pressure and strongly heated. The refrigerant fluid then flows through the coil of the condenser 12, releasing a quantity of heat (per unit of mass and time) q32 towards the environment, and consequently cools and subsequently condenses at constant pressure. In the T-S diagram of Figure 2, this transformation is represented by the two consecutive sections 2-2 'and 2'-3. In fact, the section 2-2 'represents the cooling phase that takes place in the overheated gas field, while the section 2' -3 represents the condensation phase, in which the title of the liquid-gaseous mixture changes from 1 to 0 and the temperature remains constant.

Successivamente, il fluido frigorigeno attra-versa la valvola di espansione 13, in cui subisce una diminuzione di pressione e di temperatura conservando la sua entalpia costante (tratto 3-4 del ciclo). Subsequently, the refrigerant fluid passes through the expansion valve 13, in which it undergoes a decrease in pressure and temperature while maintaining its constant enthalpy (section 3-4 of the cycle).

Il fluido frigorigeno passa quindi nell'evapo-ratore 14, in cui attraversa una serpentina alla qua-le sottrae la quantità di calore (per unità di massa e di tempo) q41, vaporizzando a pressione costante (tratto 4-1 del ciclo). The refrigerant fluid then passes into the evaporator 14, where it passes through a coil from which it subtracts the quantity of heat (per unit of mass and time) q41, vaporizing at constant pressure (section 4-1 of the cycle).

A rigore, in un ciclo di Rankine, la trasforma-zione 3-4 dovrebbe avvenire all'interno di una turbi-na, in cui l'espansione sarebbe sfruttata per produr-re lavoro utile. Tuttavia, la quantità di lavoro ri-cavata sarebbe modesta se confrontata con quella spe-sa per la compressione del fluido. Per questo motivo, si è scelto di rinunciare a recuperare tale lavoro, a vantaggio di una maggiore semplicità costruttiva. Strictly speaking, in a Rankine cycle, the 3-4 transformation should take place inside a turbine, in which the expansion would be exploited to produce useful work. However, the amount of work recovered would be modest compared to that spent on compressing the fluid. For this reason, it was decided to give up on recovering this work, to the advantage of greater constructive simplicity.

Facendo riferimento alle figure 3 e 4, un compressore 50 per l'uso in un impianto a ciclo frigori-fero secondo la presente invenzione sfrutta l'aumento di pressione di un fluido primario termico che subi-sce una variazione di stato da liquido a gassosa a volume costante, per effetto del calore fornito dalla radiazione solare incidente in un collettore solare 30 il quale, secondo la presente invenzione, compren-de una lente Fresnel 31, che concentra la radiazione incidente in un punto di fuoco in cui è disposto un riscaldatore solare 32, dotato di una camera di scam-bio termico 33, in cui avviene il riscaldamento del fluido primario termico. Il collettore solare 30 è ulteriormente dotato di un condotto di ingresso 34 del fluido primario termico, sul quale è disposta una valvola di ritegno 35, e di un condotto di uscita 36 del fluido primario termico, dotato di una valvola di controllo 37, inizialmente in posizione chiusa, azio-nata da un controllore di pressione 38. Referring to Figures 3 and 4, a compressor 50 for use in a refrigeration cycle system according to the present invention exploits the pressure increase of a thermal primary fluid which undergoes a change in state from liquid to gaseous. at constant volume, due to the effect of the heat supplied by the solar radiation incident in a solar collector 30 which, according to the present invention, comprises a Fresnel lens 31, which concentrates the incident radiation in a focus point in which a heater is arranged solar 32, equipped with a thermal exchange chamber 33, in which the primary thermal fluid is heated. The solar collector 30 is further equipped with an inlet duct 34 for the primary thermal fluid, on which a check valve 35 is arranged, and an outlet duct 36 for the primary thermal fluid, equipped with a control valve 37, initially in closed position, activated by a pressure controller 38.

Con riferimento alla figura 4, in cui sono mo-strati una pluralità di collettori solari 30 disposti in parallelo, il fluido primario termico viene iniet-tato nella camera di scambio termico 33 di ciascun collettore solare 30 in fase liquida, provenendo da un condensatore 39. Nella camera di scambio termico 33 il fluido primario termico riceve energia solare sia per assorbimento in moto convettivo che per irra-diamento, aumentando la sua temperatura oltre il va-lore critico e passando alla fase gassosa. Dal momen-to che il volume a disposizione del fluido primario termico è costante, essendo la valvola 35 una valvola di ritegno e la valvola 37 essendo chiusa, tale au-mento di temperatura comporta anche un aumento di pressione senza cambiamento di fase. With reference to Figure 4, in which a plurality of solar collectors 30 arranged in parallel are shown, the primary thermal fluid is injected into the heat exchange chamber 33 of each solar collector 30 in the liquid phase, coming from a condenser 39 In the heat exchange chamber 33 the primary thermal fluid receives solar energy both by absorption in convective motion and by irradiation, increasing its temperature beyond the critical value and passing to the gaseous phase. Since the available volume of the thermal primary fluid is constant, the valve 35 being a check valve and the valve 37 being closed, this temperature increase also involves an increase in pressure without a change of phase.

Al raggiungimento della pressione massima desi-derata, il controllore di pressione 38 comanda l'apertura della valvola 37 e il fluido di lavoro in fase gassosa viene convogliato al vaso di raccolta 40. When the desired maximum pressure is reached, the pressure controller 38 commands the opening of the valve 37 and the working fluid in the gaseous phase is conveyed to the collection vessel 40.

Sempre con riferimento alla figura 4, tutti i condotti di uscita 36 dei diversi collettori solari 30 sono collegati allo stesso vaso di raccolta 40. Dal vaso di raccolta 40, il fluido primario termico, attraverso un condotto 43, viene convogliato al com-pressore 50, previa apertura di un'ulteriore valvola 41, controllata da un controllore di pressione 42, che comanda l'apertura della valvola 41 quando la pressione ha raggiunto il valore massimo desiderato. Still with reference to Figure 4, all the outlet ducts 36 of the different solar collectors 30 are connected to the same collection vessel 40. From the collection vessel 40, the primary thermal fluid, through a duct 43, is conveyed to the compressor 50 , after opening a further valve 41, controlled by a pressure controller 42, which commands the opening of the valve 41 when the pressure has reached the maximum desired value.

Con riferimento alla figura 5, è mostrato l'impianto di raffreddamento ad alimentazione solare secondo la presente invenzione nella sua globalità ovvero sono mostrati sia il circuito primario termi-co, che muove il compressore 50, sia il circuito fri-gorifero . With reference to Figure 5, the solar powered cooling system according to the present invention is shown in its entirety, ie both the primary thermal circuit, which moves the compressor 50, and the refrigeration circuit are shown.

Facendo inizialmente riferimento alla porzione dell'impianto relativa al circuito primario termico, in cui la pluralità di collettori solari 30 disposti in parallelo è schematizzata dall'area a linea trat-teggiata 100, dopo essere stato compresso il fluido primario termico allo stato gassoso viene inviato at-traverso la linea 36 ad un primo cilindro 51 del com-pressore 50. Essendo chiusa la valvola 52 disposta sul condotto di uscita 53 del cilindro 51, il fluido primario termico esercita una spinta su un pistone 54 . Referring initially to the portion of the plant relating to the primary thermal circuit, in which the plurality of solar collectors 30 arranged in parallel is schematized by the dotted line area 100, after being compressed the thermal primary fluid in the gaseous state is sent through the line 36 to a first cylinder 51 of the compressor 50. The valve 52 arranged on the outlet duct 53 of the cylinder 51 being closed, the thermal primary fluid exerts a thrust on a piston 54.

Il pistone 54 è collegato attraverso un'asta 55 ad un secondo pistone 56, che scorre all'interno di un secondo cilindro o camera di compressione 57 del compressore 50. All'interno della camera di compres-sione 57 è disposta una molla 58 che contrasta l'avanzamento (verso destra facendo riferimento alla figura 5) del pistone 56, esercitando una spinta in senso opposto. Nella camera di compressione 57 viene compresso un fluido frigorigeno, il cui ciclo sarà analizzato più dettagliatamente nel seguito. In virtù delle differenze di pressione operativa del fluido primario termico gassoso compresso nel cilindro 51 e del fluido frigorigeno gassoso nella camera di espan-sione 57, la superficie del pistone 54 è maggiore della superficie del pistone 56. Per impedire il pas-saggio di calore tra i pistoni 54 e 56, l'asta 55 è realizzata con un materiale isolante termico o è provvista di giunto termoisolante, mentre per impedi-re il passaggio di calore tra i cilindri 51 e 57, es-si sono alloggiati su un telaio 59 in materiale iso-lante termico. The piston 54 is connected through a rod 55 to a second piston 56, which slides inside a second cylinder or compression chamber 57 of the compressor 50. A spring 58 is arranged inside the compression chamber 57 which it contrasts the advancement (towards the right with reference to Figure 5) of the piston 56, exerting a thrust in the opposite direction. A refrigerant fluid is compressed in the compression chamber 57, the cycle of which will be analyzed in more detail below. Due to the differences in operating pressure of the gaseous thermal primary fluid compressed in the cylinder 51 and the gaseous refrigerant fluid in the expansion chamber 57, the surface of the piston 54 is larger than the surface of the piston 56. To prevent the passage of heat between the pistons 54 and 56, the rod 55 is made of a thermal insulating material or is provided with a thermal insulating joint, while to prevent the passage of heat between the cylinders 51 and 57, they are housed on a frame 59 in thermal insulating material.

Dopo aver spinto il pistone 54 fino a fine cor-sa e dopo che il fluido frigorigeno così compresso è stato inviato ad uno scambiatore di calore 60 (come verrà discusso in maggior dettaglio nel seguito), il fluido primario termico gassoso viene fatto uscire dal cilindro 51, per effetto della spinta esercitata dalla molla 58, e viene inviato, attraverso il con-dotto 53, allo scambiatore di calore 60, in cui at-traversa una serpentina provvista di alette di raf-freddamento ed in cui viene raffreddato per scambio con aria proveniente dall'esterno. Il fluido primario termico viene quindi inviato, attraverso la linea 61, al condensatore 39, per riprendere nuovamente il ci-clo . After having pushed the piston 54 to the end of the stroke and after the refrigerating fluid thus compressed has been sent to a heat exchanger 60 (as will be discussed in greater detail below), the gaseous thermal primary fluid is released from the cylinder. 51, due to the thrust exerted by the spring 58, and is sent, through the duct 53, to the heat exchanger 60, in which a coil provided with cooling fins passes and in which it is cooled by exchange with air from outside. The thermal primary fluid is then sent, through the line 61, to the condenser 39, to resume the cycle.

Facendo ora riferimento alla porzione dell'impianto relativa al circuito frigorifero, il fluido frigorigeno allo stato gassoso viene compresso nella camera di compressione 57, chiusa attraverso la valvola 69, e da qui, attraverso il condotto 62, pre-via apertura della valvola 63, viene inviato allo scambiatore di calore 60, in cui attraversa una ser-pentina provvista di alette di raffreddamento ed in cui viene raffreddato per scambio con aria provenien-te dall'esterno. All'uscita dallo scambiatore di ca-lore 60, il fluido frigorigeno viene quindi inviato ad un condensatore 64. Referring now to the portion of the system relating to the refrigeration circuit, the refrigerant fluid in the gaseous state is compressed in the compression chamber 57, closed through the valve 69, and from here, through the duct 62, after opening the valve 63, it is sent to the heat exchanger 60, where it passes through a coil provided with cooling fins and where it is cooled by exchange with air coming from outside. At the outlet from the heat exchanger 60, the refrigerant fluid is then sent to a condenser 64.

All'uscita dal condensatore 64, il fluido fri-gorigeno si trova nella fase di liquido saturo e vie-ne inviato, attraverso la linea 65, ad una valvola di espansione 66, in cui subisce una diminuzione di pressione e di temperatura ad entalpia costante e successivamente ad un evaporatore 67, in cui viene riscaldato con l'aria del locale da raffreddare in-viata in maniera forzata tramite un ventilatore 68. In questo modo, l'aria del locale viene raffreddata e il fluido frigorigeno viene riscaldato fino a tornare completamente in fase gassosa, a pressione e tempera-tura costanti. At the outlet from the condenser 64, the coolant is in the saturated liquid phase and is sent, through the line 65, to an expansion valve 66, where it undergoes a decrease in pressure and temperature at constant enthalpy. and subsequently to an evaporator 67, in which it is heated with the air of the room to be cooled forcedly sent by means of a fan 68. In this way, the air of the room is cooled and the refrigerant is heated until it returns completely in the gaseous phase, at constant pressure and temperature.

A questo punto il fluido frigorigeno è pronto per essere inviato di nuovo alla camera di compressione 57. At this point the refrigerant is ready to be sent back to the compression chamber 57.

Il convogliamento dell'aria di raffreddamento nello scambiatore di calore 60 avviene per effetto camino generato attraverso una pompa eliotermica 70, disposta, lungo la linea 71, a valle dello scambiato-re di calore 60. In maggior dettaglio, la pompa elio-termica 70 è una camera di riscaldamento di aria per mezzo della radiazione solare, eventualmente concen-trata mediante un sistema di lenti di Fresnel. La pompa eliotermica è aperta superiormente per permet-tere l'uscita verso l'alto dell'aria riscaldata, ed è alimentata inferiormente con aria ambiente convoglia-ta per effetto camino attraverso la linea 71. The conveyance of the cooling air into the heat exchanger 60 occurs due to the chimney effect generated by a heliothermic pump 70, arranged, along the line 71, downstream of the heat exchanger 60. In greater detail, the helium-thermal pump 70 it is a chamber for heating air by means of solar radiation, possibly concentrated by means of a Fresnel lens system. The heliothermic pump is open at the top to allow the heated air to exit upwards, and is fed at the bottom with ambient air conveyed by the chimney effect through line 71.

Alternativamente, il fluido di raffreddamento utilizzato nello scambiatore di calore 60 è acqua, se disponibile acqua di pozzo. Alternatively, the cooling fluid used in the heat exchanger 60 is water, if well water is available.

Tra i fluidi di lavoro che si prestano all'applicazione con l'impianto frigorifero della presente invenzione, sia nella sezione di compressio-ne (circuito primario termico), sia nella sezione frigorifera (circuito frigorifero), si trova l'HFC-245fa, ovvero il composto chimico 1,1,1,3,3-pentaf luoropropano, un composto organico con tempera-tura di ebollizione alta (rispetto alla temperatura di ebollizione media dei refigeranti) , che presenta buone caratteristiche di espandibilità e buone capa-cità di trasferimento di calore anche a basse tempe-rature . Among the working fluids that are suitable for application with the refrigeration system of the present invention, both in the compression section (primary thermal circuit) and in the refrigeration section (refrigeration circuit), is the HFC-245fa, or the chemical compound 1,1,1,3,3-pentafluoropropane, an organic compound with a high boiling temperature (compared to the average boiling temperature of the coolants), which has good expandability characteristics and good heat transfer even at low temperatures.

In particolare, HFC-245fa ha una temperatura critica elevata (Tc= 154,3 °C), che implica il fatto che permette di raggiungere un'elevata efficienza. In particular, HFC-245fa has a high critical temperature (Tc = 154.3 ° C), which implies the fact that it allows to reach a high efficiency.

Inoltre, da un punto di vista ambientale, in particolare con riferimento al problema del cosiddet-to "buco di ozono" dell'atmosfera, HFC-245fa ha un indice di consumo potenziale di ozono nullo, il che ne ha favorito la piena approvazione per l'uso negli impianti di refrigerazione e per la produzione di schiume organiche isolanti. Furthermore, from an environmental point of view, in particular with reference to the problem of the so-called "ozone hole" of the atmosphere, HFC-245fa has a zero potential ozone consumption index, which has favored its full approval for use in refrigeration systems and for the production of insulating organic foams.

Con particolare riferimento alla figura 5, il fluido organico HFC-245fa in fase liquida ad una tem-peratura minore di 60°C, e preferibilmente minore di 40°C, e ad una pressione di 2-3 bar, viene inviato ai collettori solari 30, in cui aumenta la sua tempera-tura fino a circa 140°C e la sua pressione fino a circa 15 bar. With particular reference to Figure 5, the organic fluid HFC-245fa in liquid phase at a temperature lower than 60 ° C, and preferably lower than 40 ° C, and at a pressure of 2-3 bar, is sent to the solar collectors 30, in which its temperature increases up to about 140 ° C and its pressure up to about 15 bar.

Al raggiungimento della pressione massima, il fluido di lavoro in fase gassosa viene convogliato al vaso di raccolta 40 e da questo al cilindro 51 in cui agisce spingendo il pistone 54 e, tramite l'asta 55, il pistone 56 e conseguentemente pressando il fluido frigorigeno nella camera di compressione 57. When the maximum pressure is reached, the working fluid in the gaseous phase is conveyed to the collection vessel 40 and from this to the cylinder 51 where it acts by pushing the piston 54 and, through the rod 55, the piston 56 and consequently pressing the refrigerant fluid in the compression chamber 57.

In una forma alternativa di realizzazione per il fluido primario termico al posto del fluido HFC-245fa può essere utilizzato C02che ha temperatura critica di 31°C alla pressione di 7,38 MP, mentre per il fluido frigorigeno al posto del fluido HFC-245fa possono essere utilizzati altri composti organici equivalenti noti. In an alternative embodiment for the thermal primary fluid instead of the HFC-245fa fluid, C02 which has a critical temperature of 31 ° C at a pressure of 7.38 MP can be used, while for the refrigerant fluid instead of the HFC-245fa fluid they can other known equivalent organic compounds may be used.

La presente invenzione è stata descritta a ti-tolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, ma è da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apporta-te dagli esperti nel ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate. The present invention has been described by way of illustration, but not of limitation, according to its preferred embodiments, but it is to be understood that variations and / or modifications may be made by those skilled in the art without thereby departing from the relative scope of protection, as defined by the attached claims.

Claims

Claims 1. Solar-powered cooling system with refrigeration cycle of the compression and expansion type of a refrigerant fluid, in a refrigerant circuit, characterized in that the compression of the refrigerant fluid is obtained by means of a compressor (50) driven by a fluid thermal primary, in a thermal primary circuit, said thermal primary fluid being compressed by the effect of the heat collected by at least one solar collector (30).

2. Cooling system according to claim 1, characterized in that said refrigeration circuit comprises, downstream of said compressor (50), subsequently a heat exchanger (60) for cooling the refrigerant -no compressed, a condenser (64), an expansion valve (66) and an evaporator (67), from which said circuit returns to said compressor (50).

3. Cooling system according to claim 1 or 2, characterized in that said primary thermal circuit comprises, downstream of said compressor (50), subsequently a heat exchanger (60) for cooling the primary thermal fluid, a condenser (39), called at least one with the solar reader (30) and a collection vessel (40), from which said circuit returns to said compressor (50).

4. Cooling system according to any one of the preceding claims, characterized in that said at least one solar collector (30) is a Fresnel lens solar collector, which concentrates the solar radiation on a solar heater (32) equipped with a heat exchange chamber (33), to which said primary thermal fluid reaches through an inlet duct (34) and from which said primary thermal fluid exits through an outlet duct (36), after opening a valve (37) controlled by a pressure controller (38).

5. Cooling system according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises a plurality of solar capacitors (30) connected in parallel.

6. Cooling system according to any one of the preceding claims, characterized in that said compressor (50) comprises a first cylinder (51), in fluid connection with said primary thermal circuit, and inside which a piston (54) slides , and a second cylinder or compression chamber (57), in fluid connection with said refrigerating circuit, inside which a second piston (56), said first piston (54) and said second piston (56) slides ) being rigidly connected through a rod (55).

7. Cooling system according to claim 6, characterized in that said first cylinder (51) and said first piston (54), have a larger diameter than that of said second cylinder or compression chamber (57) and said second piston (56).

8. Cooling system according to claim 6 or 7, characterized in that a spring (58) is arranged inside said compression chamber (57) which opposes the advancement of said second piston (56).

9. Cooling system according to claim 6, 7 or 8, characterized in that said rod (55), which rigidly connects said first piston (54) and said second piston (56), is made of thermally insulating material or is provided with a thermally insulating joint.

10. Cooling system according to any one of the preceding claims, characterized in that said primary thermal fluid and said refrigerating fluid are organic fluids with high expandability and heat transfer characteristics.

11. Cooling system according to claim 10, characterized in that said fluid is HFC-245fa, that is the chemical compound 1,1, 1,3,3-pentafluoropropane.

12. Cooling system according to any one of claims 1 - 9, characterized in that said primary thermal fluid is C02.

13. Cooling system according to any one of the preceding claims, characterized in that said condenser (60) is water-cooled.

Cooling system according to any one of claims 1-12, characterized in that said condenser (60) is air-cooled.

15. Cooling system according to claim 14, characterized in that it further comprises a solar thermal pump (70), arranged downstream of said condenser (60), to convey air to the condenser (60) for chimney effect.