ITRM20100508A1 - Modulo contattore con membrane capillari idrofobiche integrato in uno scambiatore di calore ed impianto ibrido per la deumidificazione/condizionamento dell aria. - Google Patents

Description

Modulo contattore con membrane capillari idrofobiche integrato in uno scambiatore di calore ed impianto ibrido per la deumidificazione/condizionamento dell’aria

La presente invenzione riguarda un modulo contattore con membrane capillari idrofobiche integrato in uno scambiatore di calore ed impianto ibrido per la deumidificazione/condizionamento dell’aria.

Più precisamente, il modulo contattore (CMC, contattore a membrana combinato) nucleo dell’invenzione permette di semplificare l’architettura di impianti che combinano cicli a compressione di vapore (frigo) con essiccanti liquidi (impianti ibridi) aumentandone contemporaneamente l’efficienza energetica. Infatti l’intero circuito di deumidificazione e/o di rigenerazione di questo tipo di impianti può essere ora riunito in un solo componente CMC (contattore di deumidificazione e/o di rigenerazione). In questo modulo si attuano i seguenti scambi termici e di massa: scambio termico sensibile tra il refrigerante e l’essiccante attraverso superfici metalliche, scambi termici e di massa tra l’essiccante e l’aria di processo attraverso la pareti dei capillari. Nel componente CMC sono presenti contemporaneamente i suddetti tre fluidi. L’invenzione riguarda altresì un impianto ibrido munito di questi componenti, i quali consentono grandi risparmi energetici in importanti processi di deumidificazione e condizionamento dell’aria.

Come noto, in estate l’aria da immettere negli ambienti condizionati deve essere raffreddata e deumidificata. Tradizionalmente la deumidificazione viene ottenuta raffreddando l’aria al di sotto della sua temperatura di rugiada. Il compressore del ciclo frigorigeno necessita di una notevole quantità di energia elettrica/meccanica particolarmente in corrispondenza ad elevati carichi latenti (tipici dei climi caldi e umidi e/o derivanti da elevate produzioni di vapore interne agli ambienti condizionati). Frequentemente poi occorre fornire ulteriore energia per attuare il post-riscaldamento dell’aria di processo al fine di realizzare un adeguato controllo delle condizioni igrometriche interne.

Come ben noto, la deumidificazione dell’aria può essere realizzata anche per via "chimica", utilizzando sostanze essiccanti solide o liquide. Tale metodo può essere vantaggioso in quanto consente il controllo dell’umidità specifica indipendentemente dalla temperatura. Ne consegue la possibilità di ottenere significativi risparmi energetici rispetto al tradizionale processo di deumidificazione, particolarmente in presenza di elevati carichi latenti o quando si ha a disposizione energia termica “gratuita†per rigenerare la sostanza essiccante. Tali sostanze vengono prevalentemente utilizzate in ambito industriale per la deumidificazione dell’aria in dispositivi che prevedono il contatto diretto ariasoluzione essiccante, sia nella fase di assorbimento che in quella di rigenerazione.

Per questo, nell’importante settore dei trattamenti dell’aria (industriali e civili) per la deumidificazione ed il condizionamento, oltre ai tradizionali cicli frigo a compressione di vapore, trovano sempre più spazio anche impianti che utilizzano soluzioni igroscopiche (essiccanti liquidi) quali, ad esempio, soluzioni acquose di LiCl, CaCl2, LiBr, TEG.

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.

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 à ̈ necessario disporre di energia termica a temperature superiori a 130-140 °C. Nel secondo caso si presentano i seguenti inconvenienti:

(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;

(b) trascinamento di goccioline di essiccante nell’aria trattata dal deumidificatore con conseguente erosione dei condotti;

(c) ridotte possibilità di variare, nel deumidificatore, la portata d’aria e di essiccante in modo indipendente;

(d) progressivo inquinamento della soluzione da polveri atmosferiche.

Oltre a ciò, detti sistemi risultano di impiego assai problematico su mezzi di trasporto soggetti ad accelerazioni/decelerazioni.

Nella letteratura tecnica 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 a contatto diretto condividono gli inconvenienti sopra ricordati.

Una prima soluzione di questi problemi tecnici à ̈ data dall’oggetto della domanda di brevetto N. RM2009A000672 intitolata “Impianto integrato di condizionamento e deumidificazione di aria†depositata dall’Università di Genova in data 21/12/2009 e qui inclusa integralmente per riferimento. Essa riguarda impianti utilizzanti contattori a membrana (aria/essiccante) per la deumidificazione dell’aria, mentre per la rigenerazione dell’essiccante la domanda di brevetto proponeva l’utilizzo di tecniche di distillazione a membrana. Più dettagliatamente, nell’evaporatore del ciclo frigo si sottrae energia termica alla soluzione essiccante che una volta raffreddata viene immessa nel contattore di deumidificatore a membrana vero e proprio, ove avviene lo scambio di calore e di vapore con l’aria. Si noti che in questo circuito di deumidificazione, il quale fa parte dell’impianto, l’evaporatore ed il contattore a membrana sono due componenti distinti. Un secondo circuito (rigenerazione) operante con tecniche di distillazione a membrana collegato in parallelo al primo (deumidificazione) provvede a realizzare opportuni scambi di soluzione con il circuito di deumidificazione, allo scopo di trasferire all’esterno l’acqua assorbita. Il moto della soluzione essiccante nei citati circuiti à ̈ ottenuto mediante pompe di circolazione (circolatori).

Sono inoltre noti alcuni brevetti relativi ad impianti a contatto diretto aria-soluzione detenuti dalla Società DryKor (WO 99/26025; WO 99/26026/; WO 00/55546) e di altri utilizzanti contattori a membrana (GVS di Bologna: brevetto italiano n. 01268171, concesso il 21 febbraio 1997, brevetto italiano n.

01268172, concesso il 21 febbraio 1997, brevetto USA n.

5.528.905, concesso il 25 giugno 1996, brevetto europeo EP 0 678 321 A3 concesso il 3 marzo 1995, brevetto italiano no. 0001328299 concesso il 8 agosto 2005.

brevetto USA n. 6.887.303, concesso il 3 maggio 2005). L’esame della più recente letteratura tecnica sulle applicazioni degli essiccanti liquidi (si veda la bibliografia alla fine della descrizione) evidenzia quanto segue:

- un interesse crescente su queste problematiche nella comunità scientifica come testimoniato dal numero sempre maggiore di articoli tecnici pubblicati;

- la ricerca à ̈ orientata ad eliminare/ridurre i fenomeni di trascinamento nell’aria di goccioline di soluzione assorbente negli impianti con contattori di deumidificazione a contatto diretto (le soluzioni acquose di LiCl, CaCl2sono notevolmente corrosive nei confronti di quasi tutti i metalli di interesse tecnico); questo obiettivo à ̈ oggi perseguito riducendo la velocità dell’aria di processo che lambisce la soluzione; - altro obiettivo di ricerca à ̈ la riduzione della potenza consumata dai circolatori; a questo scopo si riduce la portata di essiccante nei circuiti di deumidificazione/rigenerazione, per cui si hanno maggiori variazioni di concentrazione della soluzione tra l’ingresso e l’uscita dei componenti di deumidificazione/rigenerazione; per evitare che tali variazioni riducano eccessivamente il potenziale di trasporto di massa della soluzione diviene necessario controllare la temperatura della soluzione all’interno dei componenti con opportuni scambi termici interni sia nel contattore di deumidificazione che di rigenerazione; gli scambi termici interni ai contattori sono realizzati aggiungendo un sistema di circolazione di fluidi di raffreddamento/riscaldamento (acqua fredda/calda, aria raffreddata con tecniche di free-cooling, ecc.).

Tuttavia, soprattutto nel caso degli impianti ibridi, le architetture d’impianto risultanti sono complesse, presentando svariati circuiti differenti e pompe (circolatori) per movimentare la soluzione attraverso tali circuiti.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un contattore a membrana CMC che risolva i citati problemi e superi gli inconvenienti della tecnica anteriore, in particolare permetta di sostituire con un unico componente l’intero circuito di deumidificazione/raffreddamento o anche, se del caso, con un altro componente CMC l’intero circuito di rigenerazione.

Il movimento della soluzione tra i due componenti (deumidificazione/raffreddamento e rigenerazione) può essere ottenuto per circolazione naturale o al più mediante un solo circolatore.

Secondo la tecnica nota, il circuito di deumidificazione/raffreddamento di un impianto ibrido a membrana comprende: contattore a membrana, evaporatore del frigo, serbatoio, circuito di deumidificazione e circolatore.

E’ oggetto della presente invenzione un modulo contattore a tre fluidi, aria, fluido refrigerante e soluzione essiccante, con membrane tubolari idrofobiche per la deumidificazione e/o raffreddamento di aria di processo, detto modulo contattore comprendendo più condotti per il fluido refrigerante, in particolare tipicamente fluido frigorigeno evaporante, il modulo contattore essendo caratterizzato dal fatto che:

- lo spazio tra detti più condotti à ̈ sostanzialmente riempito con più tubicini capillari in membrana microporosa idrofobica il cui lume à ̈ atto ad essere attraversato da aria, e la cui direzione di estensione principale à ̈ perpendicolare a detti più condotti;

- sulle due superfici opposte del modulo contattore alle estremità di detti più tubicini, sono disposti uno o più strati di materiale di chiusura, in particolare di resina indurente, per inglobare le parti terminali di detti più tubicini capillari e sigillare lo spazio tra detti più tubicini capillari così creato, detto spazio essendo atto a far passare una soluzione essiccante che lambisca la superficie esterna di detti più tubicini capillari senza poter permeare al loro interno per la natura idrofobica del loro materiale, dette due superfici opposte avendo subito operazioni meccaniche di taglio al fine di aprire i lumi di detti più tubicini capillari rendendo possibile il passaggio dell’aria da deumidificare e/o raffreddare;

- sulle superfici opposte alle estremità di detti più condotti sono posti rispettivi collettori per la raccolta del fluido refrigerante e della soluzione essiccante.

Preferibilmente secondo l’invenzione, detti più tubicini capillari hanno un diametro compreso tra 0,4 e 6 mm.

Preferibilmente secondo l’invenzione, detto diametro à ̈ compreso tra 0,8 e 3 mm.

Preferibilmente secondo l’invenzione, sui lati di detti più condotti tra loro affacciati sono fissate più alette, preferibilmente metalliche in modo sostanzialmente perpendicolare agli stessi lati, dette alette metalliche estendendosi solo parzialmente tra detti lati di più condotti affacciati tra loro, dette alette essendo fissate in modo alternato su detti lati affacciati.

Preferibilmente secondo l’invenzione, solo lo spazio tra alcuni di detti più condotti à ̈ utilizzato per l’inserimento dei detti più tubicini capillari mentre lo spazio non utilizzato a tal fine à ̈ munito di tradizionale alettatura per incrementare lo scambio termico con l’aria, operando così in quest’ultima parte come tradizionale batteria di scambio termico, in particolare di evaporazione e/o condensazione, il modulo contattore essendo così un modulo CMCP.

E’ ulteriore oggetto della presente invenzione un impianto integrato di deumidificazione e condizionamento di aria, comprendente:

- una unità di condizionamento e/o deumidificazione costituita da un modulo contattore secondo l’invenzione, per la deumidificazione e il raffreddamento dell’aria per mezzo di una soluzione essiccante,

- mezzi frigoriferi, collegati a detta unità di condizionamento e/o deumidificazione, atti ad alimentare con il fluido refrigerante detta unità di condizionamento e/o deumidificazione, caratterizzato dal fatto che:

- detta unità di condizionamento e/o deumidificazione à ̈ il modulo contattore secondo l’invenzione;

- à ̈ compresa una unità di rigenerazione di detta soluzione essiccante collegata all’unità di deumidificazione;

- detta unità di rigenerazione à ̈ atta a riconcentrare detta soluzione essiccante diluita, proveniente da detta unità di condizionamento e/o deumidificazione, smaltendo all’esterno acqua ed utilizzando per tale processo di riconcentrazione l’energia termica di condensazione del fluido refrigerante, o quella fornita da un altro fluido termovettore, la soluzione essiccante riconcentrata essendo restituita infine a detta unità di condizionamento e/o deumidificazione.

Preferibilmente secondo l’invenzione, detta unità di rigenerazione comprende un distillatore a membrana liquido/liquido del tipo DCMD/AGMD oppure AGMD a recupero termico.

Preferibilmente secondo l’invenzione, detta unità di rigenerazione à ̈ costituita da un ulteriore modulo contattore secondo l’invenzione.

Preferibilmente secondo l’invenzione, quando il modulo contattore à ̈ il modulo contattore secondo una preferita forma di realizzazione:

- detti mezzi frigoriferi alimentano anche ulteriori batterie separate di condensazione e di evaporazione.

Preferibilmente secondo l’invenzione:

- detta unità di condizionamento e/o deumidificazione deumidifica una parte della portata d’aria che viene successivamente riunita e miscelata con la parte non deumidificata in modo da creare una miscela d’aria,

- detta miscela d’aria à ̈ raffreddata con una batteria di scambio posta in serie sul percorso dell’aria, la batteria di scambio essendo alimentata con una parte della portata di fluido refrigerante proveniente da detti mezzi frigoriferi;

- detta unità di rigenerazione opera in parallelo con una batteria di condensazione;

- lo scambio di soluzione essiccante tra detta unità di condizionamento e/o deumidificazione e detti mezzi di rigenerazione al fine di rigenerare la soluzione essiccante viene effettuato attraverso opportuni condotti.

Preferibilmente secondo l’invenzione:

- la temperatura di evaporazione del fluido frigorigeno à ̈ la stessa in detta unità di condizionamento e/o deumidificazione e in detta separata batteria di scambio;

- la temperatura di condensazione del fluido frigorigeno à ̈ la stessa in detta unità di rigenerazione e in detta e separata batteria di condensazione.

Preferibilmente secondo l’invenzione, quando il modulo contattore à ̈ il modulo contattore CMCP secondo l’invenzione:

- detti mezzi frigoriferi sono privi della batteria di evaporazione esterna al modulo contattore CMCP, in cui lo spazio non occupato da detti capillari opera come un batteria di raffreddamento tradizionale in parallelo.

Preferibilmente secondo l’invenzione, quando il modulo contattore à ̈ il modulo contattore secondo l’invenzione:

- detti mezzi frigoriferi sono privi di una batteria di condensazione esterna al modulo contattore CMCP,

in cui lo spazio non occupato da detti capillari opera in parallelo come tradizionale batteria di condensazione.

L’invenzione verrà ora descritta a titolo illustrativo ma non limitativo, con particolare riferimento ai disegni delle figure allegate, in cui: - la figura 1 mostra un tipico scambiatore di calore tradizionale (batteria di scambio) ove avviene la vaporizzazione del fluido frigorigeno o evaporatore;

- la figura 2 mostra un esempio di modulo contattore secondo la presente invenzione, ottenuto modificando parzialmente una batteria di evaporazione tradizionale;

- la figura 3 mostra una rappresentazione schematica di un modulo CMC secondo l’invenzione;

- la figura 4 mostra un’ulteriore rappresentazione schematica di un modulo CMC secondo l’invenzione; - la figura 5 mostra una differente forma realizzativa del modulo CMC secondo l’invenzione; - la figura 6 mostra un impianto integrato di deumidificazione/condizionamento dell’aria secondo la tecnica anteriore (domanda di brevetto N. RM2009A000672 intitolata “Impianto integrato di condizionamento e deumidificazione di aria†depositata dall’Università di Genova in data 21/12/2009);

- la figura 7 mostra un impianto integrato con due CMC (deumidificatore e rigeneratore) secondo l’invenzione, questo impianto si presta soprattutto alla deumidificazione dell’aria;

- la figura 8 mostra una differente forma di realizzazione di un impianto integrato con due CMC (deumidificatore e rigeneratore) secondo l’invenzione;;

- la figura 9 mostra sul diagramma psicrometrico (diagramma Ashrae) come avvengono le trasformazioni dell’aria di processo nel sistema delle figure 6, 7.

La presente invenzione prevede la costruzione di innovativi componenti di scambio termico e di massa qui nominati “Contattori a Membrana idrofobica microporosa Combinati†(CMC) e “Contattori a Membrana idrofobica microporosa Combinati solo in Parte†(CMCP) che riuniscano in un unico oggetto componenti prima separati, allo scopo di semplificare notevolmente gli impianti ibridi noti, alcuni dei quali descritti nella sopra citata domanda di brevetto RM2009A000672. Tali membrane, grazie alla loro natura idrofobica e alla dimensione dei pori (qualche decimo di micrometro), sono permeabili all’aria e al vapore ma non all’acqua e alle soluzioni acquose, ciò che permette il loro impiego negli impianti di condizionamento dell’aria.

Si illustrano nel seguito anche architetture di impianti integrati utilizzanti vantaggiosamente la presente invenzione.

In figura 1 si riporta la foto di un tipico evaporatore commerciale. I condotti (orizzontali nella disposizione della foto) 1 entro cui evapora il fluido frigorigeno sono ben visibili in figura 1. Su questi condotti 1 sono saldate ondulazioni in lamierino (alettatura) così da aumentare la superficie di scambio termico con l’aria che fluisce perpendicolarmente.

Secondo l’invenzione, dei capillari 3 di membrana sono inseriti al posto dell’alettatura in lamierino fino a un parziale o pressoché completo riempimento degli spazi liberi tra i condotti 1 del fluido refrigerante (fig. 2). Per realizzare i CMC o CMCP, l’invenzione prevede di inserire un adeguato numero (alcune migliaia) di capillari di una membrana microporosa idrofobica (diametro indicativo, ma non limitativo: 0,8-3 mm), ad esempio in polipropilene od altro materiale microporoso idrofobico, per il flusso dell’aria in batterie di evaporazione/condensazione commerciali.

Un’opportuna resina indurente à ̈ colata sulle due facce opposte del componente per inglobare le parti terminali dei capillari e sigillare lo spazio tra i capillari così creato. La soluzione essiccante riempie completamente questo spazio interno lambendo la superficie esterna dei capillari senza poter permeare il lume interno di questi per la natura idrofobica della membrana in materiale microporoso che costituisce le pareti dei capillari. Le due facce opposte di resina sono sottoposte ad operazioni meccaniche di taglio al fine di aprire i lumi dei capillari rendendo possibile il passaggio dell’aria da deumidificare e/o raffreddare.

La figura 2 mostra, a titolo esemplificativo, la foto di un evaporatore commerciale trasformato in un CMCP dove l’alettatura à ̈ stata in parte rimossa per poter inserire le dette membrane capillari (diametro di circa 2 mm), secondo l’invenzione.

Negli strati di resina delle parti superiore ed inferiore del dispositivo che si sta descrivendo, sono ricavati opportuni collettori per consentire scambi di soluzione tra il CMC/CMCP di deumidificazione e il CMC/CMCP di rigenerazione dell’impianto (fig. 3).

Sempre secondo l’invenzione, l’essiccante liquido da utilizzare dovrà risultare compatibile con i metalli normalmente utilizzati per la realizzazione di questi componenti di scambio termico (in genere alluminio). L’essiccante individuato per un utilizzo preferito secondo la presente invenzione à ̈ una soluzione di HCOOK (formiato di potassio) che già oggi viene utilizzato come fluido termovettore nella tecnica del freddo, in quanto assai più compatibile con molti materiali metallici rispetto alle soluzioni acquose di LiCl, CaCl2. L’utilizzo di soluzioni di HCOOK a contatto di alluminio à ̈, oggigiorno, reso possibile da speciali additivi anti-corrosione noti in letteratura. Oltre a ciò, tale essiccante presenta adeguate proprietà termofisiche e termodinamiche, basso costo e risulta non avere controindicazioni riguardo ad aspetti igienici ed ecologici.

Per quanto riguarda l’utilizzo della presente invenzione negli impianti integrati descritti nella sopra citata domanda di brevetto RM2009A000672, si precisa che quegli impianti facevano riferimento a contattori a membrana idrofobica per operare la deumidificazione dell’aria, mentre la rigenerazione dell’essiccante veniva effettuata con tecniche di distillazione a membrana. Il nuovo componente CMC secondo l’invenzione in sostituzione del circuito di deumidificazione può essere accoppiato a diversi circuiti di rigenerazione, ad esempio un circuito utilizzante i processi di distillazione a membrana di cui alla precedente domanda di brevetto, oppure può impiegare un altro modulo CMC (in questo caso con funzione di rigeneratore) invertendo il segno degli scambi termici e di massa ed utilizzando l’aria esterna per riconcentrare l’essiccante.

Facendo riferimento alla figura 3, si può osservare il percorso dell’aria 3in,3out all’interno dei lumi delle membrane capillari, il percorso della soluzione essiccante 2in,2out che fluisce a contatto della superficie esterna dei capillari e, infine, quello del fluido refrigerante 1in,1out che fluisce entro i condotti di evaporazione del CMC.

Facendo riferimento alla figura 4, sono mostrate due rappresentazioni prospettiche della parte superiore del CMC. Dalla rappresentazione in basso si intravede meglio la disposizione delle fibre all’interno del CMC (la disposizione si limita a titolo esemplificativo solo ad una parte delle fibre).

Facendo riferimento alla figura 5, tra i lati affacciati dei condotti 1 sono interposte delle alette 4 che non si estendono fino a formare un ponte tra i condotti, ma lasciano spazio sufficiente al passaggio della soluzione essiccante. La loro disposizione à ̈ preferibilmente alternata su uno e sull’altro dei lati affacciati, in modo da creare un percorso ondulato per la soluzione essiccante (l’alternanza delle alette può essere realizzata in più modi, alternando ad esempio una sola alette o due alette consecutive o con altro schema misto). In tal modo, si evita che lo scambio termico tra l’essiccante e la parete dei condotti e lo scambio termico e di massa tra l’essiccante e la superficie esterna dei tubicini capillari 3 possa venire limitata da percorsi preferenziali della soluzione essiccante.

Facendo riferimento alla figura 6, si presenta l’impianto integrato 100 di deumidificazione/condizionamento dell’aria descritto nella domanda di brevetto RM2009A000672. Tale impianto consente il controllo delle condizioni climatiche interne di un ambiente confinato A, quale un ambiente civile/industriale ovvero abitacolo di mezzi mobili come automobili, etc.

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 100 fino alle condizioni di immissione (i) nell’ambiente condizionato A.

L’impianto 100 comprende una unità di condizionamento/deumidificazione 20 che provvede al raffreddamento e alla deumidificazione dell’aria di rinnovo (e) e dell’aria di ricircolo (a’), e un serbatoio 30 ad essa collegato per la raccolta della soluzione essiccante.

L’impianto 100 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 à ̈ collegato a detto serbatoio 30 mediante una prima pompa 51.

L’impianto 100 comprende anche un economizzatore 31 collegato mediante una coppia di condotti in andata e ritorno in cui la circolazione à ̈ determinata 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.

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 poi restituirla riconcentrata a detto serbatoio 30.

Detto modulo distillatore a membrana 61 à ̈ di tipo liquido/liquido, ad esempio del tipo DCMD (“Direct Contact Membrane Distillation†) oppure anche del tipo a gap di aria AGMD (Air-Gap Membrane Distillation).

Vantaggiosamente, come descritto nella prima domanda di brevetto RM2009A000672, la sezione di rigenerazione può essere semplificata utilizzando un distillatore a membrana del tipo a gap di aria (AGMD -Air-Gap Membrane Distillation) a recupero termico.

Per il funzionamento dell’impianto si rimanda alla descrizione della domanda RM2009A000672.

Come si può osservare, nel circuito di deumidificazione dell’impianto appena descritto erano previsti i seguenti componenti disposti in serie: serbatoio essiccante, pompa di circolazione, evaporatore del frigo, contattore a membrana, il complesso di questi elementi essendo stato indicato con il riferimento 200 nella figura 6.

Secondo la presente invenzione, questo intero circuito 200 (deumidificazione) può essere sostituito dal solo componente CMC che tratti l’aria da immettere nell’ambiente e che à ̈ connesso con condotti di mandata e ritorno alla sezione di rigenerazione.

Un sensore, sensibile alla concentrazione della soluzione o più semplicemente alla pressione della soluzione contenuta nel CMC di deumidificazione, consente di attivare, quando necessario, lo scambio di soluzione con la sezione di rigenerazione. Questa, come già ricordato, può essere realizzata sia con processi di distillazione a membrana sia sfruttando le innovative potenzialità di semplificazione della presente invenzione e cioà ̈ realizzando lo scambio di soluzione con un secondo CMC di rigenerazione (cfr. figura 7), utilizzante il calore di condensazione del ciclo frigorigeno. Anche il sistema di rigenerazione può infatti essere sostituito con un CMC che opererà in questo caso con funzione di rigeneratore.

In questo caso, gli scambi termici e di massa avvengono in senso contrario e l’acqua assorbita viene scaricata nel flusso d’aria esterna che attraversa il CMC di rigenerazione. Vantaggiosamente secondo l’invenzione, come rappresentato in figura 7, tra i due CMC può essere interposto uno scambiatore di calore (economizzatore HE). Lo scambio di soluzione attraverso detti condotti può realizzarsi per convezione naturale a causa delle differenti temperature della soluzione presente nel CMC di deumidificazione (CMC1) e nel CMC di rigenerazione (CMC2), oppure la soluzione essiccante può essere movimentata da una pompa comandata dal citato sensore. Questo impianto si presta particolarmente a deumidificare l’aria.

In tutti i casi, nel circuito della soluzione dovrà essere inserito un opportuno vaso/serbatoio di espansione (non mostrato in figura).

Nel caso sia necessario realizzare, oltre che la deumidificazione dell’aria anche un suo significativo raffreddamento, à ̈ opportuno fare riferimento all’architettura di impianto illustrata in figura 8. Questa architettura coniuga la grande efficienza dei componenti CMC nel realizzare scambi latenti con la grande efficienza di scambio sensibile consentita dalle tradizionali batterie di scambio termico.

Come si può osservare in figura 8, il componente CMC1 deumidifica parte della portata d’aria di ricircolo che viene quindi miscelata con la parte rimanente. La miscela deumidificata e pertanto privata del relativo carico latente viene poi raffreddata con una tradizionale batteria di scambio alimentata con parte della portata di fluido refrigerante del ciclo frigo. Si nota che la temperatura di evaporazione del fluido à ̈ la stessa nel CMC1 e nella batteria di raffreddamento. In modo simile il componente CMC2 opera in parallelo con una tradizionale batteria di condensazione (anche in questo caso la temperatura di condensazione à ̈ identica nei due componenti). Ovviamente la condensazione del fluido frigorigeno, anziché avvenire in due componenti separati in parallelo (CMC e batteria di condensazione) può avvenire in un unico componente CMCP.

Lo scambio di soluzione tra CMC1 e CMC2 al fine di rigenerare la soluzione viene effettuato attraverso i condotti illustrati in figura 8. Si nota che il moto della soluzione può realizzarsi per convezione naturale a causa delle differenze di densità tra le soluzioni presente in CMC1 (più diluita) e CMC2 (più concentrata). In alternativa, la soluzione può essere movimentata da una pompa comandata da un opportuno sensore. L’impianto ora descritto in forma non limitativa può realizzare risparmi di potenza al compressore del frigo dell’ordine del 40-50 % rispetto agli impianti di tipo tradizionale. Il risparmio à ̈ legato alla possibilità di realizzare minori differenze tra le temperature di condensazione ed evaporazione di quanto non risulti con un impianto tradizionale.

I vantaggi tecnici della soluzione secondo la presente invenzione sono, tra l’altro:

• il componente CMC consente una grande semplificazione degli impianti che integrano un ciclo frigorigeno con essiccanti liquidi;

• il componente CMC consente di migliorare ulteriormente l’efficienza energetica di questi impianti (notevole incremento del COP ottenuto grazie all’aumento della temperatura di evaporazione e riduzione della temperatura dei condensazione del ciclo frigo, riduzione numero/eliminazione di circolatori, miglioramento efficienza scambio termico);

• il componente CMC risulta di fabbricazione piuttosto semplice a partire da componenti già in commercio;

• possibilità di realizzare impianti assai compatti; • possibilità di ottenere risparmi di energia meccanica/elettrica rispetto ai tradizionali impianti a compressione di vapore (fino al 40-50% nel regime estivo) utilizzando il calore di condensazione del frigo.

Inoltre, nelle stagioni intermedie, si può privilegiare la deumidificazione dell’aria rispetto al suo raffreddamento (adottando più alte temperature di evaporazione). Nel caso dell’architettura di impianto illustrata in figura 8, à ̈ sufficiente non alimentare la batteria di raffreddamento e ridurre così la portata di refrigerante al compressore al solo fine di mantenere costante la temperatura e la concentrazione della soluzione assorbente del CMC1. Nelle stagioni intermedie si può così deumidificare l’aria senza doverla necessariamente raffreddare al disotto della temperatura di rugiada (deumidificazione tradizionale), ciò che offre quindi ulteriori risparmi energetici rispetto al caso tradizionale.

Questo tipo d’impianto potrebbe offrire importanti vantaggi commerciali sia nel settore civile che in quello dei mezzi di trasporto. A titolo di 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. Ad esempio, 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 assume una rilevanza percentuale significativa se si considera che, nelle normali condizioni di uso, la potenza erogata dal motore à ̈ 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.

La presente invenzione consiste principalmente nella struttura del CMC che consente di concentrare in un unico componente (contattore CMC) l’intero circuito di deumidificazione costituito da: contattore a membrana (evaporatore del frigo) serbatoio circuito di deumidificazione circolatore.

Il sistema di rigenerazione dell’impianto può fare riferimento a processi di distillazione a membrana di cui alla precedente domanda di brevetto oppure può impiegare un altro modulo CMC (in questo caso con funzione di rigeneratore) invertendo il segno degli scambi termici e di massa ed utilizzando l’aria esterna per riconcentrare l’essiccante.

Altri aspetti importanti dell’invenzione consistono nella grande semplificazione degli impianti di cui alla precedente domanda di brevetto della Richiedente. La semplificazione ottenibile comporta decisivi vantaggi in compattezza migliorando ancora l’efficienza energetica ed riducendo/evitando l’utilizzo delle pompe di circolazione. Questo aspetto riveste particolare importanza per l’applicazione al condizionamento/deumidificazione dell’aria su autoveicoli e mezzi di trasporto. Un ulteriore aspetto che si ritiene molto interessante, perché può rendere più prossima l’applicazione impiantistica, consiste nel poter utilizzare come base per la realizzazione di CMC componenti di scambio termico di produzione industriale (evaporatori/condensatori, scambiatori di calore).

L’invenzione riguarda l’ampio settore del trattamento dell’aria (condizionamento di ambienti civili ed industriali, climatizzazione di mezzi di trasporto, controllo igrometrico di ambienti confinati, settore della refrigerazione, ecc.).

Nel settore dei trattamenti dell’aria l’invenzione può avere altre applicazioni: ad esempio, la riduzione dei fenomeni di brinatura sulle batterie per raffreddare l’aria nel settore della conservazione delle derrate alimentari (ad esempio magazzini frigo, trasporti refrigerati).

Bibliografia

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In quel che precede sono state descritte le preferite forme di realizzazione e sono state suggerite delle varianti della presente invenzione, ma à ̈ da intendersi che gli esperti del ramo potranno apportare modificazioni e cambiamenti senza con ciò uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1) Modulo contattore (10) a tre fluidi, aria, fluido refrigerante e soluzione essiccante, con membrane tubolari idrofobiche per la deumidificazione e/o raffreddamento di aria di processo, detto modulo contattore comprendendo più condotti (1) per il fluido refrigerante, in particolare tipicamente fluido frigorigeno evaporante, il modulo contattore essendo caratterizzato dal fatto che: - lo spazio tra detti più condotti (1) à ̈ sostanzialmente riempito con più tubicini capillari in membrana microporosa idrofobica (2) il cui lume à ̈ atto ad essere attraversato da aria, e la cui direzione di estensione principale à ̈ perpendicolare a detti più condotti (1); - sulle due superfici opposte del modulo contattore alle estremità di detti più tubicini, sono disposti uno o più strati di materiale di chiusura, in particolare di resina indurente, per inglobare le parti terminali di detti più tubicini capillari e sigillare lo spazio tra detti più tubicini capillari così creato, detto spazio essendo atto a far passare una soluzione essiccante che lambisca la superficie esterna di detti più tubicini capillari senza poter permeare al loro interno per la natura idrofobica del loro materiale, dette due superfici opposte avendo subito operazioni meccaniche di taglio al fine di aprire i lumi di detti più tubicini capillari rendendo possibile il passaggio dell’aria da deumidificare e/o raffreddare; - sulle superfici opposte alle estremità di detti più condotti (1) sono posti rispettivi collettori (2) per la raccolta del fluido refrigerante e della soluzione essiccante.
2. 2) Contattore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti più tubicini capillari hanno un diametro compreso tra 0,4 e 6 mm.
3. 3) Contattore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto diametro à ̈ compreso tra 0,8 e 3 mm.
4. 4) Contattore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che sui lati di detti più condotti (1) tra loro affacciati sono fissate più alette, preferibilmente metalliche in modo sostanzialmente perpendicolare agli stessi lati, dette alette metalliche estendendosi solo parzialmente tra detti lati di più condotti affacciati tra loro, dette alette essendo fissate in modo alternato su detti lati affacciati.
5. 5) Contattore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che solo lo spazio tra alcuni di detti più condotti à ̈ utilizzato per l’inserimento dei detti più tubicini capillari mentre lo spazio non utilizzato a tal fine à ̈ munito di tradizionale alettatura per incrementare lo scambio termico con l’aria, operando così in quest’ultima parte come tradizionale batteria di scambio termico, in particolare di evaporazione e/o condensazione, il modulo contattore essendo così un modulo CMCP.
6. 6) Impianto integrato (300, 400) di deumidificazione e condizionamento di aria, comprendente: - una unità di condizionamento e/o deumidificazione costituita da un modulo contattore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, per la deumidificazione e il raffreddamento dell’aria per mezzo di una soluzione essiccante, - mezzi frigoriferi (42,44), collegati a detta unità di condizionamento e/o deumidificazione (20), atti ad alimentare con il fluido refrigerante detta unità di condizionamento e/o deumidificazione (20), caratterizzato dal fatto che: - detta unità di condizionamento e/o deumidificazione (20) à ̈ il modulo contattore (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5; - à ̈ compresa una unità di rigenerazione (60) di detta soluzione essiccante collegata all’unità di deumidificazione (20); - detta unità di rigenerazione (60) à ̈ atta a riconcentrare detta soluzione essiccante diluita, proveniente da detta unità di condizionamento e/o deumidificazione (20), smaltendo all’esterno acqua ed utilizzando per tale processo di riconcentrazione l’energia termica di condensazione del fluido refrigerante, o quella fornita da un altro fluido termovettore, la soluzione essiccante riconcentrata essendo restituita infine a detta unità di condizionamento e/o deumidificazione (20).
7. 7) Impianto integrato secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta unità di rigenerazione (60) comprende un distillatore a membrana (61) liquido/liquido del tipo DCMD/AGMD oppure AGMD a recupero termico.
8. 8) Impianto integrato (300) secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta unità di rigenerazione (60) à ̈ costituita da un ulteriore modulo contattore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5.
9. 9) Impianto integrato (400) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 8, caratterizzato dal fatto che, quando il modulo contattore à ̈ il modulo contattore (10) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4: - detti mezzi frigoriferi (42,44) alimentano anche ulteriori batterie separate di condensazione (43) e di evaporazione (41).
10. 10) Impianto integrato (400) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 9, caratterizzato dal fatto che: - detta unità di condizionamento e/o deumidificazione (20) deumidifica una parte della portata d’aria che viene successivamente riunita e miscelata con la parte non deumidificata in modo da creare una miscela d’aria, - detta miscela d’aria à ̈ raffreddata con una batteria di scambio (41) posta in serie sul percorso dell’aria, la batteria di scambio essendo alimentata con una parte della portata di fluido refrigerante proveniente da detti mezzi frigoriferi (42,44); - detta unità di rigenerazione (60) opera in parallelo con una batteria di condensazione (43); - lo scambio di soluzione essiccante tra detta unità di condizionamento e/o deumidificazione (20) e detti mezzi di rigenerazione (60) al fine di rigenerare la soluzione essiccante viene effettuato attraverso opportuni condotti.
11. 11) Impianto integrato secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che: - la temperatura di evaporazione del fluido frigorigeno à ̈ la stessa in detta unità di condizionamento e/o deumidificazione (20) e in detta separata batteria di scambio (41); - la temperatura di condensazione del fluido frigorigeno à ̈ la stessa in detta unità di rigenerazione (60) e in detta e separata batteria di condensazione (43).
12. 12) Impianto integrato (400) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 10 a 11, caratterizzato dal fatto che, quando il modulo contattore à ̈ il modulo contattore (10) secondo la rivendicazione 5: - detti mezzi frigoriferi (42,44) sono privi della batteria di evaporazione (41) esterna al modulo contattore CMCP (20), in cui lo spazio non occupato da detti capillari opera come un batteria di raffreddamento tradizionale (41) in parallelo.
13. 13) Impianto integrato (400) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 10 a 12, caratterizzato dal fatto che, quando il modulo contattore à ̈ il modulo contattore (10) secondo la rivendicazione 5: - detti mezzi frigoriferi (42,44) sono privi di una batteria di condensazione esterna al modulo contattore CMCP (60), in cui lo spazio non occupato da detti capillari opera in parallelo come tradizionale batteria di condensazione (43).