ITRM20090672A1 - INTEGRATED AIR-CONDITIONING AND DEHUMIDIFICATION PLANT. - Google Patents
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Description
Impianto integrato di condizionamento e deumidificazione di aria. Integrated air conditioning and dehumidification system.
La presente invenzione riguarda un impianto integrato di condizionamento e deumidificazione di aria. The present invention relates to an integrated air conditioning and dehumidification system.
Più dettagliatamente l’invenzione concerne un impianto per il condizionamento e deumidificazione per ambienti civili o industriali, per la climatizzazione di mezzi di trasporto, controllo igrometrico di ambienti confinati, atto ad applicazioni nel settore del trasporto refrigerato e refrigerazione. L’impianto proposto si presenta compatto così da essere installabile anche in spazi ridotti, consentendo contemporaneamente significativi risparmi energetici rispetto alle tradizionali tecniche. More specifically, the invention concerns a system for air conditioning and dehumidification for civil or industrial environments, for the air conditioning of means of transport, hygrometric control of confined spaces, suitable for applications in the refrigerated transport and refrigeration sector. The proposed system is compact so that it can be installed even in small spaces, allowing at the same time significant energy savings compared to traditional techniques.
Com’è ben noto, attualmente la deumidificazione dell’aria può essere effettuata anche per via “chimica”, utilizzando sostanze essiccanti solide o liquide (ad esempio, soluzioni acquose di LiCl, CaCl2, etc.). Questo approccio, come noto, rispetto alla più tradizionale tecnologia che impiega un ciclo frigo per deumidificare l’aria raffreddandola al di sotto del punto di rugiada consente il controllo dell’umidità specifica indipendentemente dalla temperatura. Pertanto, è possibile ottenere significativi risparmi energetici rispetto al processo tradizionale soprattutto quando si debbano fronteggiare elevati carichi latenti e contemporaneamente si abbia a disposizione una sorgente di energia termica per rigenerare la sostanza essiccante. As is well known, currently air dehumidification can also be carried out by "chemical" method, using solid or liquid drying substances (for example, aqueous solutions of LiCl, CaCl2, etc.). This approach, as known, compared to the more traditional technology that uses a refrigeration cycle to dehumidify the air by cooling it below the dew point, allows the control of specific humidity regardless of the temperature. Therefore, it is possible to obtain significant energy savings compared to the traditional process, especially when it is necessary to face high latent loads and at the same time a source of thermal energy is available to regenerate the desiccant.
In generale questo tipo di impianti è prevalentemente utilizzato in ambito industriale per la deumidificazione dell’aria in dispositivi che prevedono il contatto diretto aria-soluzione essiccante, sia nella fase di assorbimento, sia in quella di rigenerazione. In general, this type of system is mainly used in the industrial field for the dehumidification of the air in devices that provide for direct contact between the air and the desiccant solution, both in the absorption phase and in the regeneration phase.
In condizioni di funzionamento a regime, ovviamente, si richiede una continua rigenerazione della soluzione essiccante per rimuovere l’acqua assorbita, che diluirebbe gradatamente la soluzione essiccante indebolendone l’azione deumidificante. Under normal operating conditions, of course, a continuous regeneration of the desiccant solution is required to remove the absorbed water, which would gradually dilute the desiccant solution, weakening its dehumidifying action.
In genere la rigenerazione viene effettuata per via termica sia facendo bollire a pressione atmosferica l’essiccante, sia utilizzando svariati sistemi a contatto diretto aria-soluzione. Nel primo caso per poter attuare un’efficace rigenerazione è necessario disporre di energia termica a temperature superiori a 130-140 °C. Nel secondo caso si presentano i seguenti inconvenienti: Generally, regeneration is carried out thermally both by boiling the desiccant at atmospheric pressure, and by using various systems in direct air-solution contact. In the first case, in order to carry out effective regeneration it is necessary to have thermal energy at temperatures above 130-140 ° C. In the second case, the following drawbacks occur:
(a) rilevante ingombro del sistema di rigenerazione, in quanto comprendente, oltre al rigeneratore vero e proprio, condotti di mandata e ritorno per l’aria di rigenerazione e un ventilatore per la movimentazione di questa; (a) considerable size of the regeneration system, as it includes, in addition to the actual regenerator, delivery and return ducts for the regeneration air and a fan for moving it;
(b) trascinamento di goccioline di essiccante nell’aria trattata; (b) entrainment of desiccant droplets in the treated air;
(c) ridotte possibilità di variare portata d’aria e di essiccante in modo indipendente; (c) reduced possibility of varying air flow and desiccant independently;
(d) progressivo inquinamento della soluzione da polveri atmosferiche. (d) progressive pollution of the solution by atmospheric dust.
Oltre a ciò detti sistemi risultano di impiego assai problematico su mezzi di trasporto soggetti ad accelerazioni/decelerazioni. In addition, said systems are very problematic to use on means of transport subject to accelerations / decelerations.
Sono noti anche impianti di condizionamento dell’aria che integrano sistemi di deumidificazione a contatto diretto con cicli frigo a compressione di vapore. In tali sistemi, detti ibridi, la macchina frigorifera può operare ad una temperatura di evaporazione più elevata rispetto ad un impianto tradizionale con coefficienti di prestazione (COP) più elevati. La rigenerazione viene effettuata sfruttando l’energia termica ceduta al condensatore del ciclo frigo e pertanto questi impianti non hanno bisogno di ulteriore energia termica. Il risparmio energetico complessivo rispetto ai tradizionali impianti di condizionamento dell’aria impieganti cicli frigo può arrivare fino al 30-35 % con ulteriori miglioramenti nel caso di elevati carichi latenti. Ovviamente anche gli impianti ibridi condividono gli inconvenienti del contatto diretto sopra ricordati. Air conditioning systems are also known that integrate dehumidification systems in direct contact with steam compression refrigeration cycles. In these systems, called hybrid systems, the refrigeration unit can operate at a higher evaporation temperature than in a traditional system with higher coefficients of performance (COP). The regeneration is carried out by exploiting the thermal energy transferred to the condenser of the refrigeration cycle and therefore these systems do not need additional thermal energy. The overall energy savings compared to traditional air conditioning systems using refrigeration cycles can reach up to 30-35% with further improvements in the case of high latent loads. Obviously, hybrid systems also share the drawbacks of direct contact mentioned above.
Recentemente sono state proposte evoluzioni tecniche dei sistemi di condizionamento e deumidificazione dell’aria con essiccanti liquidi (tradizionali e ibridi) che evitano il diretto contatto aria-essiccante inserendo tra le due fasi una sottile membrana idrofobica impermeabile alle fase liquida e permeabile invece al vapore attraverso la quale realizzare i necessari scambi di energia e massa sia per realizzare l’assorbimento del vapore (e cioè la deumidificazione dell’aria) che il suo desorbimento e cioè la rigenerazione della soluzione essiccante. A questo scopo si possono utilizzare componenti detti “membrane contactors” o “contattori a membrana” equipaggiati con ben note membrane idrofobiche, ad esempio membrane microporose di materiali polimerici (politetrafluoroetilene PTFE, polivinilidenflururo PVDF, polipropilene PP, etc.). L’attività di ricerca e sviluppo per incrementare le prestazioni di membrane e contattori in molteplici settori di applicazione è in forte sviluppo in tutto il mondo. Recently, technical evolutions of air conditioning and dehumidification systems have been proposed with liquid desiccants (traditional and hybrid) which avoid direct air-desiccant contact by inserting a thin hydrophobic membrane impermeable to the liquid phase and permeable to vapor between the two phases. which carry out the necessary energy and mass exchanges both to achieve the absorption of the vapor (ie the dehumidification of the air) and its desorption, ie the regeneration of the desiccant solution. For this purpose it is possible to use components called “membrane contactors” or “membrane contactors” equipped with well-known hydrophobic membranes, for example microporous membranes of polymeric materials (polytetrafluoroethylene PTFE, polyvinylidenefluride PVDF, polypropylene PP, etc.). Research and development to increase the performance of membranes and contactors in multiple application sectors is undergoing strong development all over the world.
Gli odierni contattori a membrana (a simmetria piana, a spirale e a fibre cave) consentono elevate superfici di scambio per unità di volume con perdite di carico contenute sia lato aria che lato soluzione e possono essere utilizzati su mezzi di trasporto. Today's diaphragm contactors (plane symmetry, spiral and hollow fiber) allow high exchange surfaces per volume unit with low pressure drops both on the air side and on the solution side and can be used on transport vehicles.
Si è rilevato che anche i sistemi ibridi impieganti contattori a membrana presentano dei limiti. Ad esempio i contattori aria-soluzione essiccante possono presentare problemi di affidabilità soprattutto quando operano in fase di rigenerazione, i.e. a temperature più elevate. Inoltre l’ingombro del sistema di rigenerazione rimane elevato sia perché il contattore di rigenerazione deve essere dimensionato per smaltire verso l’aria esterna tutto il carico sensibile e latente dell’impianto sia per la presenza dei condotti di mandata e ritorno per l’aria di rigenerazione e del ventilatore per la movimentazione di questa. Questi aspetti penalizzano la compattezza dell’intero impianto (aspetto di grande rilevanza soprattutto nel settore dei mezzi di trasporto come automobili, autobus, camion, vagoni di treni e simili). Hybrid systems using membrane contactors have also been found to have limitations. For example, the air-desiccant solution contactors can present reliability problems especially when they operate in the regeneration phase, i.e. at higher temperatures. Furthermore, the size of the regeneration system remains high both because the regeneration contactor must be sized to dispose of all the sensible and latent load of the system towards the outside air and due to the presence of the delivery and return ducts for the supply air. regeneration and the fan for handling it. These aspects penalize the compactness of the entire plant (an aspect of great importance especially in the sector of means of transport such as cars, buses, trucks, train carriages and the like).
Questi ed altri problemi tecnici sono risolti mediante un impianto integrato di condizionamento e deumidificazione di aria che prevede la combinazione di mezzi frigoriferi con un ciclo a operante con essiccanti liquidi, il quale utilizza per realizzare il condizionamento e la deumidificazione dell’aria ancora un contattore a membrana aria-essiccante, e prevede mezzi di rigenerazione della soluzione essiccante provvisti di un distillatore a membrana del tipo liquido/liquido. These and other technical problems are solved by means of an integrated air conditioning and dehumidification system which provides for the combination of refrigeration means with a cycle a operating with liquid desiccants, which uses a further contactor for air conditioning and dehumidification. air-desiccant membrane, and provides means for the regeneration of the desiccant solution provided with a membrane distiller of the liquid / liquid type.
Lo scopo della presente invenzione è, pertanto, quello di fornire un impianto integrato di condizionamento e deumidificazione di aria che sia energeticamente più efficiente del tradizionale processo basato unicamente sull’impiego del ciclo frigo. The purpose of the present invention is, therefore, to provide an integrated air conditioning and dehumidification system that is more energy efficient than the traditional process based solely on the use of the refrigeration cycle.
Un altro scopo dell’invenzione è quello di fornire un impianto integrato di condizionamento e deumidificazione di aria che sia compatto nelle dimensioni. Another purpose of the invention is to provide an integrated air conditioning and dehumidification system that is compact in size.
Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di fornire un impianto in grado sia di condizionare l’aria, raffreddandola e deumidificandola, oppure solo di deumidificarla. A further purpose of the present invention is to provide a system capable of both conditioning the air, cooling and dehumidifying it, or just dehumidifying it.
Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione un impianto integrato di condizionamento e deumidificazione di aria, comprendente una sorgente termica,una unità di condizionamento/deumidificazione, per il raffreddamento e la deumidificazione dell’aria per mezzo di una soluzione essiccante, mezzi frigoriferi, collegati a detta unità di condizionamento/deumidificazione, atti a raffreddare, controllandone la temperatura, detta soluzione essiccante ad una temperatura predefinibile, per poi introdurla in detta una unità di condizionamento/deumidificazione, un serbatoio, collegato a circuito ad anello a detta unità di condizionamento/deumidificazione e a detti mezzi frigoriferi, nel quale viene raccolta una riserva di detta soluzione essiccante proveniente da detta unità di condizionamento/deumidificazione, e mezzi di rigenerazione di detta soluzione essiccante, collegati detto serbatoio, detti mezzi di rigenerazione essendo atti a riconcentrare detta soluzione essiccante diluitasi proveniente da detta unità di condizionamento/deumidificazione, estraendo da essa acqua utilizzando energia termica ottenuta da detta sorgente termica, per restituirla a detto serbatoio, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di rigenerazione comprendono un distillatore a membrana del tipo liquido/liquido. Therefore, the specific object of the present invention is an integrated air conditioning and dehumidification system, comprising a heat source, an air conditioning / dehumidification unit, for cooling and dehumidifying the air by means of a desiccant solution, refrigeration means, connected to said conditioning / dehumidification unit, designed to cool, by controlling its temperature, said desiccant solution at a predefined temperature, and then introduce it into said conditioning / dehumidification unit, a tank, connected in a loop circuit to said conditioning / dehumidification unit and to said refrigeration means, in which a reserve of said desiccant solution coming from said conditioning / dehumidification unit is collected, and regeneration means of said desiccant solution, connected to said tank, said regeneration means being adapted to reconcentrate said diluted desiccant solution. i coming from said conditioning / dehumidification unit, extracting water from it using thermal energy obtained from said thermal source, to return it to said tank, characterized in that said regeneration means comprise a membrane still of the liquid / liquid type.
Sempre secondo l’invenzione, detto distillatore a membrana può essere del tipo a membrana a contatto diretto o DCMD (Direct Contact Membrane Distillation), ed interposto tra un primo circuito di rigenerazione dell’essiccante, nel quale si trovano collegati in serie un primo scambiatore di calore con detta sorgente termica per il riscaldamento della soluzione essiccante, una pompa ed un secondo circuito di circolazione dell’acqua di raccolta, nel quale si trovano collegati in serie mezzi per il per il raffreddamento di detta acqua ed una ulteriore pompa, detto circuito di circolazione dell’acqua di raccolta essendo provvisto anche di uno scarico dell’acqua di raccolta distillata. Always according to the invention, said membrane still can be of the direct contact membrane type or DCMD (Direct Contact Membrane Distillation), and interposed between a first desiccant regeneration circuit, in which a first exchanger is connected in series. with said thermal source for heating the desiccant solution, a pump and a second circulation circuit of the collection water, in which means are connected in series for the cooling of said water and a further pump, said circuit for the circulation of the collection water being also provided with a drain for the distilled collection water.
Ancora secondo l’invenzione, detti mezzi di raffreddamento possono comprendere un secondo scambiatore di calore per il raffreddamento di detta acqua o un contattore a membrana idrofobica acqua-aria in grado di scambiare con l’aria ambiente non solo energia termica ma anche vapore acqueo, in modo da raffreddare l’acqua al di sotto della temperatura dell’aria esterna. In questo ultimo caso, per mantenere sempre pieno d’acqua il circuito, si dovrà provvedere con un semplice reintegro d’acqua dall’esterno. Still according to the invention, said cooling means can comprise a second heat exchanger for cooling said water or a water-air hydrophobic membrane contactor capable of exchanging not only thermal energy but also water vapor with the ambient air. so as to cool the water below the outside air temperature. In the latter case, to keep the circuit always full of water, it will be necessary to simply top up the water from the outside.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, detto distillatore a membrana può essere un distillazione a membrana a gap di aria (AGMD - Air-Gap Membrane Distillation) a recupero termico, e dal fatto di comprendere uno scambiatore di calore con detta sorgente termica, collegato a detto distillatore a membrana, ed un condotto di scarico dell’acqua distillata. Advantageously according to the invention, said membrane still can be an air-gap membrane distillation (AGMD - Air-Gap Membrane Distillation) with thermal recovery, and by the fact of comprising a heat exchanger with said thermal source, connected to said membrane still, and a distilled water discharge duct.
Ulteriormente secondo l’invenzione, detti mezzi frigoriferi possono comprendere un evaporatore, una valvola di laminazione, un condensatore ed un compressore. Further according to the invention, said refrigeration means can comprise an evaporator, a lamination valve, a condenser and a compressor.
Preferibilmente secondo l’invenzione, detta sorgente termica può coincidere con detto condensatore. Preferably according to the invention, said thermal source can coincide with said capacitor.
Sempre secondo l’invenzione, detto impianto può comprendere un sensore per la rilevazione della concentrazione della soluzione e/o del livello soluzione contenuta nel serbatoio, atto ad attivare il funzionamento di detti mezzi di rigenerazione quando la diluizione della soluzione abbia sorpassato il limite previsto. Still according to the invention, said system can comprise a sensor for detecting the concentration of the solution and / or the solution level contained in the tank, suitable for activating the operation of said regeneration means when the dilution of the solution has exceeded the expected limit.
Ancora secondo l’invenzione, detto serbatoio può essere collegato a detti mezzi frigoriferi mediante una prima pompa e a detti mezzi di rigenerazione mediante un primo condotto di mandata, in cui è prevista una seconda pompa, ed un condotto di ritorno. Still according to the invention, said tank can be connected to said refrigerating means by means of a first pump and to said regeneration means by means of a first delivery duct, in which a second pump is provided, and a return duct.
Ulteriormente secondo l’invenzione, detti mezzi di rigenerazione possono essere collegati, preferibilmente interposti, tra detto serbatoio e detti mezzi frigoriferi. Further according to the invention, said regeneration means can be connected, preferably interposed, between said tank and said refrigeration means.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, detto impianto può comprendere un economizzatore interposto tra detto serbatoio e detti mezzi di rigenerazione. Advantageously according to the invention, said plant can comprise an economizer interposed between said tank and said regeneration means.
La presente invenzione verrà ora descritta a titolo illustrativo ma non limitativo, secondo le sue preferite forme di realizzazione, con particolare riferimento 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 una architettura di sistema di condizionamento/deumidificazione che impiega una prima forma di realizzazione di impianto integrato di condizionamento/deumidificazione di aria, secondo la presente invenzione; Figure 1 shows an architecture of an air conditioning / dehumidification system which uses a first embodiment of an integrated air conditioning / dehumidification system, according to the present invention;
la figura 2 mostra un’architettura di sistema di condizionamento/deumidificazione che impiega una seconda forma di realizzazione di impianto integrato di condizionamento/deumidificazione di aria, secondo la presente invenzione; e Figure 2 shows an air conditioning / dehumidification system architecture that uses a second embodiment of an integrated air conditioning / dehumidification system, according to the present invention; And
la figura 3 mostra sul diagramma psicrometrico (diagramma Ashrae) le trasformazioni dell’aria di processo come avvengono nel sistema delle figure 1 e 2. Figure 3 shows on the psychrometric diagram (Ashrae diagram) the transformations of the process air as they occur in the system of Figures 1 and 2.
Nelle varie figure le parti simili verranno indicate con gli stessi riferimenti numerici. In the various figures similar parts will be indicated with the same numerical references.
Facendo riferimento alla figura 1, si osserva un impianto integrato 1 per il condizionamento e la deumidificazione dell’aria di un ambiente A, quale un abitacolo di veicolo come automobili, autobus, camion, vago ni di treni e simili. Referring to Figure 1, an integrated system 1 is observed for the conditioning and dehumidification of the air of an environment A, such as a vehicle interior such as cars, buses, trucks, train vans and the like.
L’aria nello stato termodinamico (m), risultato dalla miscelazione dell'aria di rinnovo (e) e dell’aria di ricircolo (a’), viene raffreddata e deumidificata mediante l’impianto integrato 1 secondo la presente invenzione fino alle condizioni di immissione (i) nell'ambiente condizionato A. The air in the thermodynamic state (m), resulting from the mixing of the fresh air (e) and the recirculated air (a '), is cooled and dehumidified by means of the integrated system 1 according to the present invention up to the conditions of release (s) in the conditioned environment A.
L’impianto 1 comprende una unità di condizionamento/deumidificazione 20 che provvede al raffreddamento e alla deumidificazione dell'aria di rinnovo (e) e l'aria di ricircolo (a’), e un serbatoio 30 ad essa collegato per la raccolta della soluzione essiccante. The system 1 comprises an air conditioning / dehumidification unit 20 which provides for the cooling and dehumidification of the fresh air (e) and the recirculation air (a '), and a tank 30 connected to it for collecting the solution desiccant.
L’impianto 1 comprende ulteriormente mezzi frigoriferi 40, provvisti di un evaporatore 41, una valvola di laminazione 42, un condensatore 43 ed un compressore 44. Detto evaporatore 41 è collegato a detto serbatoio 30 mediante una prima pompa 51. The plant 1 further comprises refrigeration means 40, provided with an evaporator 41, a lamination valve 42, a condenser 43 and a compressor 44. Said evaporator 41 is connected to said tank 30 by means of a first pump 51.
L’impianto 1 comprende anche un economizzatore 31 collegato mediante una coppia di condotti in andata e ritorno in cui la circolazione è agevolata da una seconda pompa 52. Detto economizzatore 31 può essere anche collegato ad anello tra il serbatoio 30 e l’evaporatore 41. A detto economizzatore 31, inoltre, sono collegati mezzi di rigenerazione 60 comprendenti un distillatore a membrana 61, disposto tra il circuito di rigenerazione dell’essiccante 62 e il circuito di circolazione dell’acqua distillata 63. The plant 1 also comprises an economizer 31 connected by means of a pair of outward and return pipes in which circulation is facilitated by a second pump 52. Said economizer 31 can also be connected in a loop between the tank 30 and the evaporator 41. Furthermore, regeneration means 60 are connected to said economizer 31, comprising a membrane still 61, arranged between the regeneration circuit of the desiccant 62 and the circulation circuit of the distilled water 63.
I mezzi di rigenerazione 60 sono atti a riconcentrare detta soluzione essiccante diluitasi proveniente da detta unità di condizionamento/deumidificazione 20, estraendo da essa acqua utilizzando energia termica ottenuta da una sorgente termica, per restituirla a detto serbatoio 30. The regeneration means 60 are adapted to reconcentrate said diluted desiccant solution coming from said conditioning / dehumidification unit 20, extracting water from it using thermal energy obtained from a thermal source, to return it to said tank 30.
In una preferita forma di realizzazione detta sorgente termica coincide con fonti termiche di scarto oppure può essere anche coincidere con il condensatore 43. In quest’ultimo caso, l’impianto ha il vantaggio di non richiedere apporti esterni di energia termica. In a preferred embodiment, said thermal source coincides with waste thermal sources or it can also coincide with the condenser 43. In the latter case, the system has the advantage of not requiring external inputs of thermal energy.
Inoltre, detto circuito 62 si trovano collegati in serie un primo scambiatore di calore 64 e una pompa 65. In detto circuito di circolazione dell’acqua di raccolta 63 si trovano collegati in serie un secondo scambiatore di calore 66 ed una ulteriore pompa 67. Detto circuito di circolazione dell’acqua di raccolta 63 presenta anche uno scarico dell’acqua 68. Furthermore, said circuit 62 a first heat exchanger 64 and a pump 65 are connected in series. A second heat exchanger 66 and a further pump 67 are connected in series in said collection water circulation circuit 63. the collection water circulation circuit 63 also has a water drain 68.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione,lo scambiatore di calore 66 può essere sostituito da un contattore a membrana idrofobica acqua-aria 20 in grado di scambiare con l’aria ambiente non solo energia termica ma anche vapore acqueo, così ottenendo i vantaggi di un maggiore flusso di distillato per unità di area di membrana o, a parità di questo, di realizzare il processo con calore a minore temperatura da detta seconda sorgente di calore 66. Advantageously according to the invention, the heat exchanger 66 can be replaced by a water-air hydrophobic membrane contactor 20 capable of exchanging not only thermal energy but also water vapor with the ambient air, thus obtaining the advantages of a greater flow of distillate per unit of membrane area or, given the same, to carry out the process with heat at a lower temperature from said second heat source 66.
Come si osserva detto distillatore a membrana 61 è di tipo liquido/liquido, ed in particolare di tipo a membrana a contatto diretto o DCMD (Direct Contact Membrane Distillation). As can be seen, said membrane still 61 is of the liquid / liquid type, and in particular of the direct contact membrane type or DCMD (Direct Contact Membrane Distillation).
Tale tipo di contattore è attualmente applicato nella desalinizzazione di acqua di mare per la produzione di acqua potabile e alla concentrazione di soluzioni acquose. Detti distillatori a membrana a contatto diretto DCMD operano una distillazione facendo passare acqua marina a maggior temperatura su un lato della membrana e acqua a minor temperatura sull’altro lato così realizzando il processo di distillazione impedendo il mescolamento delle fasi. This type of contactor is currently applied in the desalination of sea water for the production of drinking water and in the concentration of aqueous solutions. These DCMD direct contact membrane stills operate a distillation by passing sea water at a higher temperature on one side of the membrane and water at a lower temperature on the other side, thus carrying out the distillation process by preventing the mixing of the phases.
La causa del processo di trasporto attraverso la membrana è la differenza di pressione parziale del vapore sui due lati della stessa causata a sua volta da una differenza di temperatura. La distillazione viene pertanto realizzata a pressione ambiente utilizzando sorgenti termiche a temperatura moderata (massimo 90-95 °C). The cause of the transport process through the membrane is the difference in partial pressure of the vapor on both sides of the membrane, which in turn is caused by a difference in temperature. Distillation is therefore carried out at ambient pressure using thermal sources at moderate temperatures (maximum 90-95 ° C).
Questi processi rappresentano un settore alternativo ai più diffusi processi di desalinizzazione quali la distillazione tradizionale e l’osmosi inversa. These processes represent an alternative sector to the more common desalination processes such as traditional distillation and reverse osmosis.
Il funzionamento avviene come segue. Nell’unità di condizionamento/deumidificazione 20 ( ad esempio anche contattore di deumidificazione) si attua simultaneamente uno scambio termico e di massa per cui la soluzione igroscopica, che entra nel componente 20 (unità di condizionamento /deumidificazione) fredda e concentrata, ne esce più calda e diluita. A causa di ciò la soluzione deve essere raffreddata e rigenerata per mantenere costanti la temperatura e la concentrazione in ingresso alla stessa unità di condizionamento /deumidificazione 20. Il controllo della temperatura (raffreddamento) della soluzione assorbente è realizzato dal ciclo frigo realizzato da detti mezzi frigoriferi, mentre il ripristino della concentrazione avviene per opera di detti mezzi di rigenerazione 60. Il circuito della soluzione si può ritenere composto da due parti che operano tra due differenti livelli di temperatura e concentrazione: il circuito di assorbimento (deumidificazione), ove la soluzione è mantenuta fredda ed alla concentrazione richiesta, e il circuito di rigenerazione, realizzato da detti mezzi di rigenerazione 60, in cui detta soluzione è mantenuta calda e maggiormente concentrata. Operation occurs as follows. In the conditioning / dehumidification unit 20 (for example also the dehumidification contactor) a heat and mass exchange takes place simultaneously so that the hygroscopic solution, which enters the cold and concentrated component 20 (conditioning / dehumidification unit), exits more hot and diluted. Because of this, the solution must be cooled and regenerated to keep the temperature and the concentration at the inlet to the conditioning / dehumidification unit 20 constant. The temperature control (cooling) of the absorbent solution is carried out by the refrigeration cycle carried out by said refrigeration means. , while the restoration of the concentration takes place by means of said regeneration means 60. The solution circuit can be considered composed of two parts which operate between two different levels of temperature and concentration: the absorption circuit (dehumidification), where the solution is kept cold and at the required concentration, and the regeneration circuit, made by said regeneration means 60, in which said solution is kept hot and more concentrated.
L’economizzatore 31 di calore opera tra i due circuiti in modo da pre-riscaldare la soluzione pompata da detta pompa 52 deviata verso il circuito di rigenerazione, e pre-raffreddare la soluzione di ritorno da detto circuito di rigenerazione 2 dell’essiccante. Mediante il distillatore a membrana 61 si realizza il processo di distillazione del vapore dalla soluzione a maggiore temperatura verso l’acqua che circola nel circuito di circolazione dell’acqua distillata 63 che è a minore temperatura rispetto al circuito di rigenerazione 62. In particolare, l’acqua vaporizza dalla soluzione sul lato caldo della membrana del distillatore a membrana 61, attraversa in fase vapore la membrana e condensa nell’acqua a minore temperatura sull’altro lato della membrana stessa. L’energia termica necessaria al processo di distillazione è fornita alla soluzione attraverso detto primo scambiatore di calore 64. Nel circuito 63 l’acqua viene raffreddata tramite una batteria di scambio (i.e. il secondo scambiatore di calore 66), operante con aria esterna o acqua di pozzo. L’eccesso volumetrico di acqua condensata viene convogliata all’esterno attraverso lo scarico 68. Il processo di rigenerazione può operare con continuità in parallelo al circuito di assorbimento o essere asservito al segnale di un sensore dipendente dalla concentrazione della soluzione, oppure al livello soluzione nel serbatoio 30. The heat economizer 31 operates between the two circuits in order to pre-heat the solution pumped by said pump 52 diverted to the regeneration circuit, and pre-cool the return solution from said desiccant regeneration circuit 2. The distillation process of the steam from the solution at a higher temperature to the water circulating in the distilled water circulation circuit 63, which is at a lower temperature than the regeneration circuit 62, is carried out by means of the membrane still 61. In particular, the The water vaporizes from the solution on the warm side of the membrane of the membrane still 61, passes through the membrane in the vapor phase and condenses into the water at a lower temperature on the other side of the membrane. The thermal energy necessary for the distillation process is supplied to the solution through said first heat exchanger 64. In circuit 63 the water is cooled by means of an exchange coil (i.e. the second heat exchanger 66), operating with external air or water of well. The volumetric excess of condensed water is conveyed to the outside through the drain 68. The regeneration process can operate continuously in parallel to the absorption circuit or be enslaved to the signal of a sensor dependent on the concentration of the solution, or to the solution level in the tank 30.
L’impianto consente di conseguire un notevole risparmio energetico in quanto, come già osservato, consentendo al ciclo frigo, realizzato da detti mezzi frigoriferi 40, di operare più vantaggiosamente dal punto di vista termodinamico. Infatti, con una più alta temperatura di evaporazione, il ciclo realizza coefficienti di prestazione (COP) più favorevoli con minori richieste di energia meccanica al compressore 44. Quest’ultimo aspetto diviene più evidente nel caso si consideri come termine di paragone un comune impianto di condizionamento idronico anziché ad espansione diretta (comprendente cioè per impianti di taglia mediogrande un circuito intermedio di acqua refrigerata dall’evaporatore del frigo che alimenta batteria attraversando la quale l’aria viene raffreddata e deumidificata). The system allows to achieve considerable energy savings since, as already observed, allowing the refrigeration cycle, made by said refrigeration means 40, to operate more advantageously from a thermodynamic point of view. In fact, with a higher evaporation temperature, the cycle achieves more favorable coefficients of performance (COP) with lower mechanical energy demands on the compressor 44. This latter aspect becomes more evident if we consider a common plant as a term of comparison. hydronic air conditioning instead of direct expansion (i.e. for medium-large sized systems comprising an intermediate circuit of chilled water from the refrigerator evaporator that feeds the battery through which the air is cooled and dehumidified).
L’impianto secondo l’invenzione consente anche di evitare il post-riscaldamento dell'aria, necessario negli impianti tradizionali per controllare le condizioni igrometriche interne. The system according to the invention also makes it possible to avoid post-heating of the air, which is necessary in traditional systems to control the internal hygrometric conditions.
La figura 2 mostra una seconda forma di realizzazione dell’impianto 1’ secondo la presente invenzione, che differisce dalla precedente forma di realizzazione sia per il fatto di non prevedere l’economizzatore 31, sia perché i mezzi di rigenerazione 70 comprendono un distillatore a membrana 71 del tipo sempre liquido/liquido ma di tipo a membrana a gap di aria o AGMD (Air-gap Membrane Distillation), collegato, pertanto, ad un solo scambiatore di calore 72, il distillatore a membrana 71 provvisto di uno scarico dell’acqua 73. Figure 2 shows a second embodiment of the plant 1 'according to the present invention, which differs from the previous embodiment both in that it does not provide the economizer 31, and because the regeneration means 70 comprise a membrane still 71 of the liquid / liquid type but of the air-gap membrane or AGMD (Air-gap Membrane Distillation) type, therefore connected to a single heat exchanger 72, the membrane distiller 71 equipped with a water drain 73.
Anche i distillatori a membrana a gap di aria o AGMD sono attualmente applicati nel settore della potabilizzazione di acqua salata. In questo caso, su un lato della membrana si fa passare acqua salata a maggiore temperatura, mentre sull’altro lato si ha un sottile strato d’aria (air-gap) che, a sua volta, è a contatto con un foglio impermeabile bagnato sull’altro lato da acqua marina a minore temperatura. Il vapore che attraversa la membrana condensa sul foglio impermeabile. Rispetto al caso del distillatore DCMD descritto nella precedente forma di realizzazione, si ha un significativo recupero termico per scambio interno tra le due correnti di acqua marina e una maggiore compattezza del sistema. Air gap or AGMD membrane stills are also currently applied in the salt water purification sector. In this case, salty water at a higher temperature is passed on one side of the membrane, while on the other side there is a thin layer of air (air-gap) which, in turn, is in contact with a wet waterproof sheet. on the other side by sea water at a lower temperature. The vapor passing through the membrane condenses on the waterproof sheet. Compared to the case of the DCMD still described in the previous embodiment, there is a significant heat recovery by internal exchange between the two seawater streams and a greater compactness of the system.
L’impianto 1’ sopra descritto, pertanto, presenta un circuito di rigenerazione semplificato, rendendo il sistema notevolmente più compatto, grazie al distillatore a membrana 71 con recupero termico. The plant 1 described above, therefore, has a simplified regeneration circuit, making the system considerably more compact, thanks to the membrane still 71 with heat recovery.
Un vantaggio che consegue al recupero termico che si realizza all’interno nel distillatore a membrana 71 è quello di ridurre sensibilmente la richiesta di energia termica per la rigenerazione e quindi anche l’asservito scambiatore di calore 72 potrà essere di assai compatta realizzazione. D’altra parte i flussi di massa realizzabili in moduli AGMD sono minori rispetto al caso DCMD e la loro costruzione meno semplice. A titolo di esempio processi DCMD consentono densità di flusso di vapore attraverso la membrana dell’ordine dei 20-40 [kg/(hm<2>)] mentre nel caso AGMD i flussi, seppur ancora cospicui, sono di minore entità 2-5 [kg/(hm<2>)]). An advantage that follows from the heat recovery that takes place inside the membrane still 71 is to significantly reduce the heat energy demand for regeneration and therefore also the enslaved heat exchanger 72 can be very compact in construction. On the other hand, the mass flows achievable in AGMD modules are lower than in the DCMD case and their construction is less simple. By way of example, DCMD processes allow vapor flux densities across the membrane of the order of 20-40 [kg / (hm <2>)] while in the case of AGMD the flows, although still conspicuous, are smaller 2-5 [kg / (hm <2>)]).
Le trasformazioni dell’aria di processo di entrambi gli impianti delle forme di realizzazione descritte nelle figure 1 e 2 non differiscono tra loro e sono rappresentate nel diagramma psicrometrico Ashrae della figura 3. The process air transformations of both systems of the embodiments described in Figures 1 and 2 do not differ from each other and are represented in the Ashrae psychrometric diagram of Figure 3.
I principali vantaggi tecnici degli impianti secondo la presente invenzione quando sia disponibile energia termica di recupero sono di seguito elencati: The main technical advantages of the plants according to the present invention when thermal recovery energy is available are listed below:
- possono essere facilmente integrati/utilizzati in impianti esistenti (ad esempio del tipo a contatto diretto); - they can be easily integrated / used in existing systems (for example of the direct contact type);
- a differenza di quanto avviene nel caso degli impianti ibridi che rigenerano la soluzione utilizzando tutto il calore ceduto al condensatore del frigo, il presente sistema può operare la rigenerazione anche indipendentemente dal circuito di assorbimento, ad esempio, utilizzando calore di scarto (motore su veicoli) e cioè può provvedere a concentrare la soluzione anche quando il frigo non opera. In altre parole, l’impianto secondo l’invenzione può operare in modalità di sola deumidificazione oltreché in modalità deumidificazione e raffreddamento; - unlike what happens in the case of hybrid systems that regenerate the solution using all the heat transferred to the condenser of the refrigerator, this system can also operate the regeneration independently of the absorption circuit, for example, using waste heat (engine on vehicles ) and that is, it can concentrate the solution even when the fridge is not working. In other words, the system according to the invention can operate in dehumidification only mode as well as in dehumidification and cooling mode;
- nel regime estivo consentono significativi risparmi di energia meccanica/elettrica (30-40%) rispetto ai tradizionali impianti a compressione di vapore; - in the summer regime they allow significant mechanical / electrical energy savings (30-40%) compared to traditional steam compression plants;
- nelle stagioni intermedie si può deumidificare l’aria senza doverla necessariamente raffreddare al sotto la temperatura di rugiada con quindi notevole risparmio di energia meccanica/elettrica; - in the intermediate seasons it is possible to dehumidify the air without necessarily having to cool it to below the dew point with therefore considerable savings in mechanical / electrical energy;
- permettono di realizzare impianti compatti caratterizzati da ingombri dello stesso ordine di grandezza di quelli tradizionali grazie all’elevata efficienza degli scambi di energia e di massa consentita della moderna tecnologia dei componenti a membrana. - allow you to create compact systems characterized by dimensions of the same order of magnitude as traditional ones thanks to the high efficiency of energy exchanges and the mass allowed by modern membrane component technology.
Tra l’altro, occorre aggiungere che l’impianto secondo l’invenzione consente di conseguire notevoli vantaggi commerciali sia nel settore civile, sia in quello dei mezzi di trasporto. Ad esempio, si può osservare che nelle vetture moderne la richiesta di potenza per il condizionamento dell’aria rappresenta ormai una frazione assai rilevante del consumo di carburante in conseguenza dei progressi ottenuti sull’efficienza dei motori e dell’aumento delle superfici vetrate (maggiori carichi solari), che contraddistingue le attuali vetture. In linea indicativa, una vettura con motore di potenza massima 70-80 kW può assorbire per il condizionamento estivo una potenza meccanica pari a circa 4-5 kW. Tale richiesta di energia assume una rilevanza percentuale significativa se si considera che, nelle normali condizioni di uso, la potenza erogata dal motore è assai minore (circa 18 kW). Si può ancora osservare che nelle stagioni intermedie o nelle giornate piovose spesso per evitare problemi di appannamento dei vetri si richiede solo la deumidificazione dell’aria e non anche il suo contemporaneo raffreddamento, e l’impianto secondo l’invenzione permette, come detto, di escludere il funzionamento dei mezzi frigoriferi. Among other things, it should be added that the plant according to the invention allows to achieve significant commercial advantages both in the civil sector and in that of means of transport. For example, it can be observed that in modern cars the power demand for air conditioning now represents a very significant fraction of fuel consumption as a result of the progress made in engine efficiency and the increase in glass surfaces (higher loads solar), which distinguishes the current cars. As an indication, a car with an engine with a maximum power of 70-80 kW can absorb a mechanical power of approximately 4-5 kW for summer air conditioning. This energy demand assumes a significant percentage importance if we consider that, under normal conditions of use, the power delivered by the engine is much lower (about 18 kW). It can also be observed that in the intermediate seasons or on rainy days, to avoid problems of fogging of the glass, only the dehumidification of the air is required and not its simultaneous cooling, and the system according to the invention allows, as mentioned, to exclude the operation of refrigeration vehicles.
La presente invenzione è stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo le sue forme preferite di realizzazione, ma è da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti del ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate. The present invention has been described for illustrative, but not limitative purposes, 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, such as defined by the attached claims.
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