ITRM20120228A1 - REINFORCED REFRIGERATOR SYSTEM. - Google Patents

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ITRM20120228A1
ITRM20120228A1 IT000228A ITRM20120228A ITRM20120228A1 IT RM20120228 A1 ITRM20120228 A1 IT RM20120228A1 IT 000228 A IT000228 A IT 000228A IT RM20120228 A ITRM20120228 A IT RM20120228A IT RM20120228 A1 ITRM20120228 A1 IT RM20120228A1
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IT
Italy
Prior art keywords
compressor
condenser
peltier
refrigerant fluid
heat
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Application number
IT000228A
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Italian (it)
Inventor
Roberto Belardinelli
Original Assignee
Celli Spa
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B25/00Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00

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Description

Impianto frigorifero perfezionato Improved refrigeration system

La presente invenzione riguarda un Impianto frigorifero perfezionato The present invention relates to an improved refrigeration system

Più dettagliatamente, l'invenzione riguarda un impianto frigorifero del tipo detto, applicabile a qualsiasi sistema frigorifero, che prevede il recupero del calore di condensazione attraverso uno scambiatore di calore in grado di fornire ad una cella di Peltier il calore ed il freddo necessari alla generazione di elettricità prodotta dalla cella stessa, sottoposta ad un differenziale termico. More in detail, the invention relates to a refrigeration system of the above type, applicable to any refrigeration system, which provides for the recovery of condensation heat through a heat exchanger capable of supplying a Peltier cell with the heat and cold necessary for generation. of electricity produced by the cell itself, subjected to a thermal differential.

Come è ben noto, un impianto frigorifero, sia esso adibito a refrigerazione, a condizionamento o altro, è basato sul principio per cui un gas frigorifero permanente trasferisce una certa quantità di calore da un ambiente "interno" ad un ambiente "esterno". As is well known, a refrigeration system, whether used for refrigeration, air conditioning or other, is based on the principle whereby a permanent refrigerating gas transfers a certain amount of heat from an "internal" environment to an "external" environment.

Sostanzialmente, un impianto frigorifero prevede un compressore, un condensatore, una valvola di laminazione, e un evaporatore. Uno schema di impianto frigorifero noto è schematicamente illustrato nella figura 1 dei disegni allegati. Basically, a refrigeration system includes a compressor, a condenser, a lamination valve, and an evaporator. A known refrigeration plant scheme is schematically illustrated in Figure 1 of the attached drawings.

Normalmente, in un ciclo frigorifero, il refrigerante, tipicamente freon o ammoniaca, o altri gas, inizialmente allo stato gassoso, viene compresso per mezzo del compressore, per cui si ottiene un aumento di pressione e temperatura del refrigerante. La temperatura del refrigerante viene abbassata all'interno del condensatore, che prevede una serpentina di raffreddamento, ventilata o meno. Nella serpentina si estrae il calore dal refrigerante facendolo passare dallo stato gassoso allo stato liquido, ottenendosi una estrazione spontanea del calore, in quanto il fluido refrigerante all'uscita dal compressore ha una temperatura maggiore della temperatura ambiente, per cui, durante l'attraversamento della serpentina, venendo a contatto con l'ambiente, la temperatura del refrigerante si abbassa e passa dallo stato gassoso allo stato liquido. Il fluido refrigerante passa quindi attraverso la valvola di laminazione, ove si ha un abbassamento della pressione e della temperatura del refrigerante, che passa dallo stato liquido ad una miscela bifase (liquido-gas); successivamente, il refrigerante viene quindi posto in contatto termico con il vano interno del frigorifero, attraverso l'evaporatore, all'interno del quale viene iniettato grazie alla differenza di pressione esistente. Nell'evaporatore il refrigerante assorbe il calore dei prodotti che si trovano all'interno del vano frigorifero e ritorna allo stato gassoso, per essere quindi rinviato al compressore per iniziare un nuovo ciclo. Tale ciclo si ripete più volte e verrà interrotto da un termostato (che spegnerà il compressore) quando all'interno del frigorifero sarà stata raggiunta la temperatura pre-impostata. Normally, in a refrigeration cycle, the refrigerant, typically freon or ammonia, or other gases, initially in the gaseous state, is compressed by means of the compressor, whereby an increase in the pressure and temperature of the refrigerant is obtained. The refrigerant temperature is lowered inside the condenser, which has a cooling coil, ventilated or not. In the coil, the heat is extracted from the refrigerant making it pass from the gaseous state to the liquid state, obtaining a spontaneous heat extraction, as the refrigerant fluid at the outlet from the compressor has a temperature higher than the ambient temperature, therefore, during the crossing of the coil, coming into contact with the environment, the temperature of the refrigerant is lowered and passes from the gaseous state to the liquid state. The refrigerant fluid then passes through the lamination valve, where there is a lowering of the pressure and temperature of the refrigerant, which passes from the liquid state to a two-phase mixture (liquid-gas); subsequently, the refrigerant is then placed in thermal contact with the internal compartment of the refrigerator, through the evaporator, into which it is injected thanks to the existing pressure difference. In the evaporator, the refrigerant absorbs the heat of the products inside the refrigerator compartment and returns to the gaseous state, to be then sent back to the compressor to start a new cycle. This cycle is repeated several times and will be interrupted by a thermostat (which will switch off the compressor) when the pre-set temperature has been reached inside the refrigerator.

In questo contesto viene ad inserirsi la soluzione proposta secondo la presente invenzione, basata sulla innovazione tecnica che prevede 1'affiancamento, o la sostituzione, del condensatore con uno scambiatore a celle di Peltier. The solution proposed according to the present invention comes into place in this context, based on the technical innovation which provides for the flanking, or replacement, of the condenser with a Peltier cell exchanger.

Con questa soluzione, si è sorprendentemente trovato il modo di ottenere simultaneamente importanti risultati assolutamente innovativi, quali: With this solution, surprisingly a way was found to simultaneously obtain important absolutely innovative results, such as:

- evitare la dispersione completa del calore di condensazione nell'aria, e quindi il conseguente innalzamento della temperatura ambiente, il che, oltre ad evitare disagi, consente notevoli risparmi; - avoid the complete dispersion of the condensation heat in the air, and therefore the consequent increase of the ambient temperature, which, in addition to avoiding inconvenience, allows considerable savings;

- il recupero del calore e la sua trasformazione in energia elettrica utilizzabile; - heat recovery and its transformation into usable electrical energy;

- creazione di una condizione di condensazione stabile, che non sarebbe legata, come avviene nei normali condensatori, alla temperatura ambiente. (E' noto come i frigoriferi soffrano soprattutto d'estate perché con temperatura ambiente alta, diminuisce la capacità di condensare e aumenta quindi il lavoro richiesto al compressore ed il conseguente consumo di energia); - creation of a stable condensation condition, which would not be linked, as occurs in normal condensers, to the ambient temperature. (It is known that refrigerators suffer especially in summer because with high ambient temperatures, the ability to condense decreases and therefore the work required by the compressor and the consequent energy consumption increases);

- ridurre il problema del ricambio d'aria necessario al condensatore, sia esso statico che ventilato, per un buon funzionamento, in quelle installazioni in ambiente piccoli o chiusi. - reduce the problem of the air exchange necessary for the condenser, whether static or ventilated, for good operation, in those installations in small or closed rooms.

Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione un impianto frigorifero all'interno del quale circola un fluido refrigerante comprendente, collegati in serie, un compressore, all'interno del quale detto fluido refrigerante viene compresso con aumento di pressione e temperatura, un condensatore, all'interno del quale la temperatura del fluido refrigerante si abbassa, con cessione del calore, un elemento di laminazione, con abbassamento della pressione e della temperatura del fluido refrigerante, che sarà ora in forma di miscela bi-fase e un evaporatore, in cui il fluido refrigerante torna allo staso gassoso, prima di essere nuovamente inviato al compressore, detto impianto essendo caratterizzato dal fatto che detto condensatore prevede, come elemento aggiuntivo o come elemento sostitutivo, uno scambiatore di calore provvisto di almeno una cella di Peltier, preferibilmente almeno due celle di Peltier. Therefore, the specific object of the present invention is a refrigeration system inside which circulates a refrigerant fluid comprising, connected in series, a compressor, inside which said refrigerant fluid is compressed with an increase in pressure and temperature, a condenser, at the inside which the temperature of the refrigerant fluid is lowered, with heat transfer, a lamination element, with lowering of the pressure and temperature of the refrigerant fluid, which will now be in the form of a two-phase mixture and an evaporator, in which the fluid refrigerant returns to the gaseous state, before being sent back to the compressor, said system being characterized by the fact that said condenser provides, as an additional element or as a replacement element, a heat exchanger equipped with at least one Peltier cell, preferably at least two storage cells. Peltier.

In una prima forma di realizzazione dell'impianto secondo l'invenzione, detto scambiatore di calore provvisto di almeno una cella di Peltier è previsto in sostituzione del condensatore. In a first embodiment of the plant according to the invention, said heat exchanger provided with at least one Peltier cell is provided in place of the condenser.

In una seconda forma di realizzazione dell'impianto secondo l'invenzione, detto scambiatore di calore provvisto di almeno una cella di Peltier è previsto a monte del condensatore. In a second embodiment of the plant according to the invention, said heat exchanger provided with at least one Peltier cell is provided upstream of the condenser.

Preferibilmente, secondo l'invenzione, detto scambiatore di calore provvisto di almeno una cella di Peltier, prevede un lato caldo e un lato freddo, all'ingresso dello scambiatore lato caldo arrivando il gas surriscaldato proveniente dal compressore, mentre all'uscita transiterà la miscela di gas e liquido che ha ceduto calore ai lati caldi delle celle di Peltier, all'ingresso del lato freddo passando il gas freddo proveniente dall'evaporatore e all'uscita passando invece il gas parzialmente surriscaldato che tornerà al compressore. Preferably, according to the invention, said heat exchanger equipped with at least one Peltier cell, has a hot side and a cold side, at the inlet of the hot-side exchanger the superheated gas coming from the compressor arrives, while the mixture will pass through at the outlet. of gas and liquid that has transferred heat to the hot sides of the Peltier cells, at the inlet of the cold side passing the cold gas coming from the evaporator and at the outlet passing instead the partially superheated gas that will return to the compressor.

La presente invenzione verrà ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo una sua forma di realizzazione preferita, 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 a preferred embodiment thereof, with particular reference to the figures of the attached drawings, in which:

la figura 1 mostra schematicamente uno schema di impianto frigorifero secondo la tecnica precedente; la figura 2 mostra una vista prospettica di una prima forma di realizzazione di uno scambiatore con cella di Peltier secondo l'invenzione; Figure 1 schematically shows a diagram of a refrigeration system according to the prior art; figure 2 shows a perspective view of a first embodiment of an exchanger with a Peltier cell according to the invention;

la figura 3 mostra una seconda forma di realizzazione dello scambiatore con cella di Peltier secondo 1'invenzione; Figure 3 shows a second embodiment of the Peltier cell exchanger according to the invention;

la figura 4 mostra una vista prospettica di una cella di Peltier utilizzata nel'impianto frigorifero secondo l'invenzione; e figure 4 shows a perspective view of a Peltier cell used in the refrigeration system according to the invention; And

la figura 5 mostra uno schema di impianto frigorifero secondo l'invenzione. Figure 5 shows a diagram of a refrigeration system according to the invention.

Osservando ora in particolare le figure 2 - 5 dei disegni allegati, una cella di Peltier è illustrata in figura 4, ed indicata genericamente con il riferimento numerico 100. La cella di Peltier, inventata nel 1834, si basa sulla scoperta che le giunzioni tra metalli presentano un effetto speculare rispetto a quello termoelettrico scoperto da Seebeck nel 1821, è attualmente realizzata come un componente elettronico utilizzato in molte applicazioni quali piccoli frigoriferi, impianti di raffreddamento rapido per laboratori , ecc. Observing now in particular figures 2 - 5 of the attached drawings, a Peltier cell is illustrated in figure 4, and generically indicated with the numerical reference 100. The Peltier cell, invented in 1834, is based on the discovery that the junctions between metals have a mirror effect compared to the thermoelectric one discovered by Seebeck in 1821, it is currently made as an electronic component used in many applications such as small refrigerators, rapid cooling systems for laboratories, etc.

In particolare, le celle di Peltier 100 sono rilevanti in quanto, se attraversate dalla corrente, si scaldano da un lato (lato caldo 101) e si raffreddano (lato freddo 102), e tale interesse è notevolmente aumentato sfruttando la reversibilità del fenomeno, per cui se la cella di Peltier 100 è riscaldata da un lato e raffreddata dall'altro diventa un generatore di corrente elettrica. In particular, the Peltier cells 100 are relevant in that, if crossed by the current, they heat up on one side (hot side 101) and cool down (cold side 102), and this interest is considerably increased by exploiting the reversibility of the phenomenon, for which if the Peltier cell 100 is heated on one side and cooled on the other, it becomes an electric current generator.

Sulla base di questo principio, la Richiedente ha ritenuto che se la cella di Peltier 100 ha bisogno di calore e freddo per produrre energia elettrica, la sua utilizzazione più logica è in un impianto frigorifero, in cui sono disponibili il calore di condensazione ed il freddo dal gas di ritorno al compressore, alla luce del fatto che l'energia elettrica generata dalla cella di Peltier 100 è determinata dal salto termico a cui sono sottoposte le due facce della cella stessa. On the basis of this principle, the Applicant has considered that if the Peltier cell 100 needs heat and cold to produce electricity, its most logical use is in a refrigeration plant, in which condensation heat and cold are available. from the gas returning to the compressor, in light of the fact that the electrical energy generated by the Peltier cell 100 is determined by the temperature difference to which the two faces of the cell are subjected.

Nelle figure 2 e 3 sono rappresentati due scambiatori di calore 200, 300 che impiegano due o più celle di Peltier 100, che sono essere messe in contatto intimo con le superfici dello scambiatore 200, 300 stesso in cui transita il gas del sistema frigorifero. Figures 2 and 3 show two heat exchangers 200, 300 which use two or more Peltier cells 100, which are put into intimate contact with the surfaces of the exchanger 200, 300 itself through which the refrigeration system gas passes.

Osservando ora in particolare la figura 2, all'ingresso 202 dello scambiatore lato caldo (A) arriva il gas surriscaldato proveniente dal compressore (non mostrato), mentre all'uscita 203 transiterà la miscela di gas e liquido che ha ceduto calore ai lati caldi 102 delle celle di Peltier 100. Looking now in particular at figure 2, the superheated gas coming from the compressor (not shown) arrives at the inlet 202 of the hot side exchanger (A), while at the outlet 203 the mixture of gas and liquid that has transferred heat to the hot sides will pass. 102 of the Peltier cells 100.

All'ingresso 205 del lato freddo (B) passa il gas freddo proveniente dall'evaporatore (non mostrato); all'uscita 201 passa invece il gas parzialmente surriscaldato che tornerà al compressore. The cold gas coming from the evaporator (not shown) passes through the cold side inlet 205 (B); on the other hand, the partially superheated gas passes through outlet 201 and returns to the compressor.

Osservando ora la figura 3, nello scambiatore di calore 300, all'ingresso 302 dello scambiatore lato caldo (A) arriva il gas surriscaldato proveniente dal compressore (non mostrato), mentre all'uscita 303 transiterà la miscela di gas e liquido che ha ceduto calore ai lati caldi 102 delle celle di Peltier 100. Observing now figure 3, in the heat exchanger 300, the superheated gas coming from the compressor (not shown) arrives at the inlet 302 of the hot side exchanger (A), while at the outlet 303 the mixture of gas and liquid that has released will pass. heat at the hot sides 102 of the Peltier cells 100.

All'ingresso 305 del lato freddo (B) passa il gas freddo proveniente dall'evaporatore (non mostrato); all'uscita 301 passa invece il gas parzialmente surriscaldato che tornerà al compressore. Cold gas from the evaporator (not shown) passes through inlet 305 on the cold side (B); on the other hand, the partially superheated gas passes through outlet 301 and returns to the compressor.

Ovviamente, la forma della cella di Peltier 100 è l'attuale configurazione commerciale delle celle di Peltier a facce piane, ma la soluzione proposta secondo la presente invenzione può essere realizzata anche di forma differente, ad esempio di forma cilindrica, per realizzare applicazioni in cui lo scambio avviene direttamente fra le superfici di transito dei due flussi di gas. Obviously, the shape of the Peltier cell 100 is the current commercial configuration of the Peltier cells with flat faces, but the solution proposed according to the present invention can also be made of a different shape, for example cylindrical, to realize applications in which the exchange takes place directly between the transit surfaces of the two gas streams.

Riferendosi ora alla figura 5, lo schema del sistema frigorifero illustrato in figura 1 è modificato in maniera tale da prevedere lo scambiatore 200, 300, con le celle di Peltier previsto prima di, o in sostituzione del condensatore, fermo restando il funzionamento dell'impianto frigorifero tradizionale. Un termostato sulla linea calda di compressione può attivare, qualora previsto, il ventilatore del condensatore, per un funzionamento che garantisca, anche in presenza di elevate temperature, un regolare funzionamento del sistema frigorifero. Referring now to figure 5, the diagram of the refrigeration system illustrated in figure 1 is modified in such a way as to provide the exchanger 200, 300, with the Peltier cells provided before, or in place of, the condenser, without prejudice to the operation of the system. traditional refrigerator. A thermostat on the hot compression line can activate, if provided, the condenser fan, for operation that guarantees regular operation of the refrigeration system even in the presence of high temperatures.

Il risultato ottenuto è che il calore di condensazione normalmente dissipato totalmente in aria verrà recuperato e trasformato in energia elettrica da destinare a svariati utilizzi. The result obtained is that the condensation heat normally completely dissipated in the air will be recovered and transformed into electrical energy to be used for various uses.

La presente invenzione è stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme di realizzazione preferite, ma è da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti nel ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione. 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.

Claims (4)

RIVENDICAZIONI 1. Impianto frigorifero all'interno del quale circola un fluido refrigerante comprendente, collegati in serie, un compressore, all'interno del quale detto fluido refrigerante viene compresso con aumento di pressione e temperatura, un condensatore, all'interno del quale la temperatura del fluido refrigerante si abbassa, con cessione del calore, un elemento di laminazione, con abbassamento della pressione e della temperatura del fluido refrigerante, che sarà ora in forma di miscela bi-fase, e un evaporatore, in cui il fluido refrigerante torna allo staso gassoso, prima di essere nuovamente inviato al compressore, detto impianto essendo caratterizzato dal fatto che detto condensatore prevede, come elemento aggiuntivo o come elemento sostitutivo, uno scambiatore di calore provvisto di almeno una cella di Peltier, preferibilmente almeno due celle di Peltier. CLAIMS 1. Refrigerating system inside which a refrigerant fluid circulates comprising, connected in series, a compressor, inside which said refrigerant fluid is compressed with an increase in pressure and temperature, a condenser, inside which the temperature of the refrigerant fluid is lowered, with heat transfer, a lamination element, with lowering of the pressure and temperature of the refrigerant fluid, which will now be in the form of a two-phase mixture, and an evaporator, in which the refrigerant fluid returns to the gaseous state , before being sent back to the compressor, said plant being characterized in that said condenser provides, as an additional element or as a replacement element, a heat exchanger provided with at least one Peltier cell, preferably at least two Peltier cells. 2. Impianto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto scambiatore di calore provvisto di almeno una cella di Peltier è previsto in sostituzione del condensatore. 2. Plant according to claim 1, characterized in that said heat exchanger provided with at least one Peltier cell is provided in place of the condenser. 3. Impianto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto scambiatore di calore provvisto di almeno una cella di Peltier è previsto a monte del condensatore. 3. Plant according to claim 1, characterized in that said heat exchanger provided with at least one Peltier cell is provided upstream of the condenser. 4. Impianto secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto scambiatore di calore provvisto di almeno una cella di Peltier, prevede un lato caldo e un lato freddo, all'ingresso dello scambiatore lato caldo arrivando il gas surriscaldato proveniente dal compressore, mentre all'uscita transiterà la miscela di gas e liquido che ha ceduto calore ai lati caldi delle celle di Peltier, all'ingresso del lato freddo passando il gas freddo proveniente dall'evaporatore e all'uscita passando invece il gas parzialmente surriscaldato che tornerà al compressore .4. Plant according to one of the preceding claims, characterized in that said heat exchanger provided with at least one Peltier cell, has a hot side and a cold side, at the inlet of the hot-side exchanger the superheated gas coming from the compressor arrives, while at the outlet the mixture of gas and liquid will pass which has transferred heat to the hot sides of the Peltier cells, at the inlet of the cold side the cold gas coming from the evaporator will pass and at the exit the partially superheated gas will pass instead and will return to the compressor .
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