ITTO20070751A1 - Frigorifero ad assorbimento per basse temperature - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Frigorifero ad assorbimento per basse temperature"

DESCRIZIONE

La presente invenzione ha per oggetto un impianto frigorifero operante con una miscela di acqua e ammoniaca.

Impianti di questo tipo comprendono una sezione di distillazione che, attraversata dalla miscela di acqua e ammoniaca, è atta alla produzione di un gas di ammoniaca. Questo gas viene utilizzato quale fluido frigorigeno che viene inviato in successione ad un condensatore, ad una valvola di laminazione, ed infine ad un evaporatore associato ad una cella frigorifera .

La miscela povera di acqua e ammoniaca che risulta all'uscita della sezione di distillazione è inviata ad un assorbitore, entro cui è altresì condotto il gas di ammoniaca di ritorno dall'evaporatore, al fine di ottenere la miscela di acqua e ammoniaca originaria in entrata nella sezione di distillazione.

La presente invenzione si propone lo scopo di massimizzare il rendimento di un impianto del tipo sopra descritto.

Al fine di raggiungere il suddetto scopo l'impianto secondo l'invenzione presenta tutte le caratteristiche della rivendicazione 1.

In particolare, l'impianto frigorifero secondo la presente invenzione è predisposto per sfruttare l'energia termica "di scarto" di sistemi esterni con esso confinanti. Tali sistemi confinanti possono, ad esempio, essere costituiti da motori a combustione interna, impianti di condizionamento, impianti di turbine, eccetera. L'energia termica "di scarto" dei sistemi confinanti è sfruttata per la produzione del gas di ammoniaca operante quale fluido frigorigeno dell'impianto.

L'impianto secondo la presente invenzione prevede, inoltre, un dispositivo eiettore che è utilizzato per aumentare la pressione del gas di ammoniaca di ritorno dall'evaporatore, miscelandolo con la miscela di acqua e ammoniaca in uscita dalla sezione di distillazione. Il dispositivo eiettore semplifica notevolmente la struttura dell'impianto e consente un ciclo termodinamico del fluido di lavoro altamente efficiente.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi saranno resi evidenti con riferimento ai disegni allegati, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, nei quali:

le figure 1 e 2 rappresentano in modo schematico un impianto frigorifero secondo 1'invenzione;

la figura 3A rappresenta una vista dall'alto di un dispositivo eiettore dell'impianto delle figg. 1 e 2; e

la figura 3B rappresenta una vista in sezione del dispositivo eiettore della fig. 3B .

Con riferimento alla figura 1, un impianto frigorifero secondo l'invenzione comprende una sezione di distillazione SD formata da un primo stadio CI costituente una colonna di arricchimento, da un secondo stadio C2 costituente una colonna di esaurimento, e da un serbatoio di riflusso (non illustrato) . Nella descrizione che segue, si farà talvolta riferimento a valori numerici di alcuni parametri: si intende che tali valori numerici rappresentano semplicemente valori preferiti dei parametri, da non considerare come limitativi della presente invenzione.

La colonna di esaurimento CI è formata da una struttura cilindrica verticale contenente anelli Raschig, e comprende un bollitore cilindrico B orizzontale disposto inferiormente alla suddetta struttura verticale.

Il bollitore B è alimentato con il calore di scarto di un sistema esterno G: ad esempio, il bollitore B può essere attraversato da fumi provenienti da una caldaia, oppure da gas provenienti da un gassificatore, i quali scaldano una miscela di acqua e ammoniaca di ingresso nel bollitore B, indicata dalla linea LI. Da tale miscela di acqua e ammoniaca di ingresso è generato un flusso di vapore contente sia acqua che ammoniaca, indicato dalla linea Vi, che risalendo la colonna di esaurimento C2 è inviato alla colonna di arricchimento Cl.

La colonna di arricchimento Cl è formata da una struttura cilindrica dotata di un coperchio bombato, e contenente anelli Raschig di 25mm e caratterizzati da un ìndice superficie/volume pari a 606 mq/mc. La velocità del vapore all'interno della colonna di arricchimento deve essere preferibilmente compresa fra i 2000 e i 4000 mc/mq/h.

All'interno della colonna di arricchimento Cl sono formati un gas di ammonìaca, indicato dalla lìnea Gl, e, come scarico, indicato dalla linea L2, un liquido contenente ammoniaca per il 43%, ad una temperatura di 66°C e ad una pressione di 7bar. Il gas prodotto nella colonna di arricchimento Cl è utilizzato quale fluido frigorigeno dell'impianto ed è inviato ad un condensatore DI che lo trasforma in un lìquido ad una temperatura di 27°C e ad una pressione di 7 bar. Parte di questo liquido viene ricircolato all'interno della colonna di arricchimento Cl, come indicato dalla linea L3, mentre il resto, indicato dalla linea L4, è inviato ad una valvola di laminazione VL (illustrata in fig. 2) e successivamente ad un evaporatore EV (illustrato in fig. 2) associato ad un dispositivo utilizzatore U (illustrato in fig. 2), ad esempio una cella frigorifera. In figura 2 è illustrato l'impianto completo, comprendente la parte illustrata in fig. 1, indicata complessivamente con DE, la valvola di laminazione VL e l'evaporatore EV.

Il liquido prodotto all'interno della colonna di arricchimento Cl presenta all'uscita di quest'ultima (linea L2) una velocità compresa fra i 10.000 e i 40.000 mc/mq/h, e da qui viene inviato ad una sezione di scambio termico SE.

La sezione di scambio termico è formata da scambiatori di calore Ξ1, E4, E5 atti a scaldare i flussi di liquido diretti alla colonna di esaurimento C2 della sezione di distillazione SD. Nel dettaglio, il liquido {linea L2) uscente dalla colonna di arricchimento CI è inviato ad un primo scambiatore di calore E1 in cui esso è scaldato tramite il calore ceduto da un liquido esterno cedente calore, ad esempio il liquido di raffreddamento di un motore a combustione interna AM, che è fatto circolare all'interno dello scambiatore Ei.

All'uscita di questo primo scambiatore di calore E1 il liquido contenente ammoniaca, indicato da una linea L4, ha raggiunto una temperatura di 80°C, e si unisce al flusso di liquido {linea L5) in uscita da un secondo scambiatore di calore E4, descritto più in dettaglio nel seguito, il quale è anch'esso alimentato dal liquido esterno suddetto e presenta le medesime condizioni termodinamiche.

Il flusso risultante, indicato da una linea L6, viene, quindi, inviato ad un terzo scambiatore di calore E5 che lo scalda tramite il calore fornito dal liquido (linea L7) in uscita dalla colonna di esaurimento C2 attraversante lo scambiatore E5, e viene poi condotto alla colonna di esaurimento C2, come indicato dalla linea LI.

Il liquido in uscita dalla colonna di esaurimento C2 (linea L7) contiene ammoniaca per il 10% ed è ad una temperatura di 133°C, e attraversando lo scambiatore E5 è raffreddato dal liquido (linea L6) diretto alla colonna di esaurimento C2 fino ad una temperatura pari a 90°C. Il liquido viene, quindi, inviato ad uno scambiatore ad aria E3 con tubi alettati e successivamente ad uno scambiatore di calore a fascio tubiero E6 alimentato con acqua esterna, che lo raffreddano complessivamente fino ad una temperatura di 25°C.

Il liquido viene quindi condotto ad un dispositivo eiettore PJ, mostrato in dettaglio nelle figure 3A e 3B.

Come visibile nella figura 3B, il dispositivo eiettore PJ è formato da un corpo 1 provvisto di tre rami disposti su un medesimo piano, in cui un primo ramo di entrata 2 è provvisto di un ugello 2a, un secondo ramo di entrata 3 sostanzialmente perpendicolare al primo è formato da una bocchetta di aspirazione 3 che presenta una porzione conica 3a divergente nella direzione del flusso che la attraversa e che si affaccia direttamente sull'uscita del suddetto ugello 2a, ed in cui un ramo di uscita 4 si estende, rispetto al secondo ramo 3, in verso opposto al primo ramo costituendone il prolungamento, e presenta una ulteriore porzione conica 4a divergente nella direzione del flusso che la attraversa.

Il primo ramo 2 è attraversato dal liquido proveniente dallo scambiatore di calore E6 {linea L8), mentre al secondo ramo 3 del dispositivo eiettore PJ è inviato il gas di ammoniaca in uscita dall'evaporatore EV (linea G2), di ritorno dal dispositivo utilizzatore U, che si trova ad una temperatura di -25°C e ad una pressione di 0,9bar.

La funzione del dispositivo eiettore PJ è quella di comprimere il gas di ammoniaca di ritorno dall'evaporatore EV e al contempo di miscelarlo con il liquido in entrata nel dispositivo eiettore PJ.

L'ugello 2a del primo ramo 2 agisce in modo da aumentare l'energia cinetica del liquido e al contempo da abbassarne la pressione, affinché il gas di ammoniaca venga aspirato attraverso il secondo ramo 3 miscelandosi con il liquido e in uscita dal terzo ramo 4 vi sia una miscela di gas dì ammoniaca e di liquido contenente ammoniaca per il 22-23%, alla temperatura di 45°C e alla pressione di 3 bar.

Questa miscela è quindi inviata, come indicato da una linea L9, ad un ulteriore scambiatore di calore post-eiettore E2, atto a raffreddare la miscela, con acqua esterna, fino ad una temperatura di 33°C. Dallo scambiatore E2 la miscela è successivamente condotta ad un assorbitore Al.

L'assorbitore Al ha la funzione di miscelare in modo omogeneo l'ammoniaca in fase gassosa con il suddetto liquido contenente ammoniaca, in modo da ottenere un liquido presentante il 33% di ammoniaca ad una temperatura di 34-35°C. La pressione del liquido viene, quindi, aumentata da 3 fino a 7 bar tramite una pompa PCI che lo invia al secondo scambiatore di calore E4. Questo ulteriore scambiatore di calore riscalda il liquido da 75°C a 80°C sfruttando l'energia termica del liquido di raffreddamento già utilizzato per riscaldare la miscela nel primo scambiatore El, in uscita da tale primo scambiatore El (linea Ri). Come descritto in precedenza, la miscela liquida (linea L4) in uscita dal primo scambiatore El e la miscela liquida (linea L5) in uscita dal secondo scambiatore E4 vengono convogliate in un unico flusso e inviate al terzo scambiatore E5, per poi proseguire nel circuito dell'impianto come sopra descritto.

Naturalmente i particolari di costruzione e le forme di attuazione dell'invenzione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione, così come definita nelle rivendicazioni che seguono.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1 . Impianto frigorifero operante con una miscela di acqua e ammoniaca, caratterizzato dal fatto di comprendere : - una sezione di distillazione (SD) atta a produrre, a partire da una miscela di ingresso di acqua e ammoniaca liquida, un gas di ammoniaca destinato come fluido frigorigeno per un dispositivo utilizzatore (U), e comprendente un primo stadio (C2) atto a produrre una miscela di acqua e ammoniaca in vapore a partire da detta miscela di acqua e ammoniaca, ed un secondo stadio (Cl) atto a produrre detto gas di ammoniaca a partire da detta miscela di acqua e ammoniaca in vapore, fra detto primo e secondo stadio essendo interposti un primo, un secondo ed un terzo scambiatore dì calore {El, E4, E5), in cui detto primo scambiatore di calore (El) è atto a scaldare una miscela liquida di acqua e ammoniaca in uscita come scarico da detto secondo stadio (Cl), detto secondo scambiatore dì calore (E4) è atto a scaldare una miscela liquida di acqua e ammoniaca in entrata nella sezione di distillazione (SD), e detto terzo scambiatore di calore (E5) è atto a ricevere in combinazione le miscele scaldate in uscita dal primo e dal secondo scambiatore (El, E4) ed a scaldarle ulteriormente mediante scambio termico con una miscela liquida di acqua ed ammoniaca in uscita come scarico dal primo stadio (C2) di detta sezione di distillazione, in cui il primo stadio (C2) di detta sezione di distillazione è disposto per ricevere come miscela di ingresso dette miscele in combinazione ulteriormente scaldate in uscita da detto terzo scambiatore (E5), ed in cui detto terzo scambiatore (E5) è disposto per ricevere detta miscela liquida di acqua ed ammoniaca in uscita come scarico dal primo stadio (C2) della sezione di distillazione, ed a convogliarla in uscita da detta sezione di distillazione (SD) come miscela liquida di acqua ed ammoniaca raffreddata; almeno uno scambiatore di calore di raffreddamento (E3, E6) destinato a raffreddare ulteriormente la miscela di acqua e ammoniaca liquida raffreddata in uscita da detta sezione di distillazione ; - un dispositivo eiettore (PJ) atto a ricevere detto gas di ammoniaca una volta usato come fluido frigorigeno da detto dispositivo utilizzatore (U), ed a comprimerlo miscelandolo con detta miscela di acqua e ammoniaca ulteriormente raffreddata in uscita da detto almeno uno scambiatore di calore di raffreddamento (E3, E6); - uno scambiatore di calore post-eiettore (E2) atto a raffreddare la miscela di acqua ed ammoniaca compressa in uscita da detto dispositivo eiettore; - un assorbitore (Al) atto a trasformare la miscela di acqua ed ammoniaca raffreddata in uscita dallo scambiatore post-eiettore (E2) in una soluzione liquida, che costituisce la miscela liquida di acqua ed ammoniaca in entrata nella sezione di distillazione (SD).
2. 2. Impianto frigorìfero secondo la rivendicazione 1, in cui il primo e secondo scambiatore di calore (El, E4) sono predisposti per uno scambio termico fra le rispettive miscele di acqua e ammoniaca, ed un liquido esterno cedente calore, preferibilmente un liquido di raffreddamento di un motore a combustione interna (AM).
3. 3. Impianto frigorifero secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto almeno uno scambiatore di calore di raffreddamento (E3, E6) comprende, in successione, uno scambiatore di calore di raffreddamento ad aria (E3) predisposto per uno scambio termico fra la rispettiva miscela dì acqua e ammoniaca, ed aria esterna, ed uno scambiatore di calore di raffreddamento ad acqua (E6) predisposto per uno scambio termico fra la rispettiva miscela di acqua e ammoniaca, ed acqua esterna.
4. 4. Impianto frigorifero secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto primo stadio (C2) della sezione di distillazione comprende un bollitore (B) per detta miscela di ingresso, detto bollitore essendo alimentato con calore di scarto di un sistema esterno (G).
5. 5. Impianto frigorifero secondo la rivendicazione 1, in cui detto dispositivo eiettore (PJ) è formato da un corpo (1) provvisto di tre rami disposti su un medesimo piano, in cui un primo ramo di entrata (2) è dotato di un ugello (2a), un secondo ramo di entrata (3) sostanzialmente perpendicolare al primo è formato da un bocchetta di aspirazione che presenta una porzione conica {3a) divergente nella direzione del flusso che la attraversa e che si affaccia direttamente sull'uscita del suddetto ugello (2a), ed in cui un ramo di uscita (4) si estende, rispetto al secondo ramo, in verso opposto al primo ramo costituendone il prolungamento, e presenta una ulteriore porzione conica (4a) divergente nella direzione del flusso che la attraversa .
6. 6. Impianto frigorìfero secondo la rivendicazione 5, in cui detto primo ramo di entrata (2) è atto ad essere attraversato da detta miscela di acqua e ammoniaca ulteriormente raffreddata in uscita da detto almeno uno scambiatore di calore di raffreddamento (E3, E6), detto secondo ramo di entrata (3) è atto ad essere attraversato da detto gas di ammoniaca usato come fluido frigorigeno da detto dispositivo utilizzatore (U), e detto ramo di uscita (4) è atto ad essere attraversato da una miscela formata da detta miscela di acqua e ammoniaca ulteriormente raffreddata in uscita da detto almeno uno scambiatore di calore di raffreddamento {E3, E6) e da detto gas di ammoniaca usato come fluido frigorigeno da detto dispositivo utilizzatore (U).