ITTV20080140A1 - Sistema frigorifero con compressore alternativo ed economizzatore. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DI INVENZIONE INDUSTRIALE

Avente per titolo : SISTEMA FRIGORIFERO CON COMPRESSORE ALTERNATIVO ED ECONOMIZZATORE

Premessa e stato dell’arte

L’anidride carbonica si sta affermando come fluido frigorifero di primaria importanza grazie alle sue vantaggiose proprietà termodinamiche e al fatto di non essere, unico tra tutti i fluidi naturali utilizzabili come fluidi frigorigeni, né tossica né infiammabile.

Un sistema frigorifero che utilizzi anidride carbonica come refrigerante e operi secondo un ciclo standard (compressione, raffreddamento isobaro, laminazione ed evaporazione) presenta forti cadute di capacità ed efficienza alle più alte temperatura di cessione del calore. E’ quindi di fondamentale importanza disporre di un metodo che permetta di ovviare a questo inconveniente. La disposizione del sistema frigorifero nel seguito descritti e il metodo di regolazione conseguente sono stati pensati per il caso in cui il fluido impiegato nel ciclo sia anidride carbonica, ma il metodo è utilizzabile in principio con qualunque fluido operatore. Varie soluzioni e schemi impiantistici sono stati proposti per ovviare alla caduta di capacità ed efficienza alle più alte temperature di cessione del calore, tra i quali si menzionano, solo come esempio, i seguenti :

doppia laminazione e compressione in due stadi con aspirazione del flash dal secondo stadio

eiettore, per recuperare parte del lavoro di espansione

espansore, sempre per recuperare parte del lavoro di espansione

- compressione parallela realizzata con compressore separato o con un cilindro dedicato aspirazione del vapore di flash dal ricevitore di liquido attraverso una porta

PMI (il cosiddetto ciclo Voorhees)

Tutti i sistemi sopra citati presentano degli svantaggi :

a) Il ciclo a due stadi con doppia laminazione è poco efficiente ai bassi rapporti di pressione b) L’eiettore è un dispositivo poco efficiente e complesso da dimensionare

c) L’espansore è un organo complicato e costoso

d) La compressione parallela è una soluzione rigida, ed è costosa se realizzata con compressore dedicato

e) Il classico ciclo di Voorhees permette teoricamente un vantaggio limitato o nullo in termini di COP, e per certe condizioni da luogo a pressione elevata nel ricevitore

Scopo dell’ invenzione

Il problema che si intende risolvere con il presente trovato è quello di aumentare la capacità e l’efficienza di un sistema frigorifero, che utilizzi ad esempio ma non esclusivamente anidride carbonica come refrigerante, alle più elevate temperature di cessione del calore, ovvero quando l’acqua o l’aria utilizzate per il raffreddamento entrano nello scambiatore di alta pressione del sistema a temperatura indicativamente superiore a 25°C. Il processo punta a ottenere tali vantaggi riducendo le perdite di laminazione e il lavoro di compressione.

Quanto sopra viene ottenuto sottoraffreddando il fluido uscente dallo scambiatore di alta pressione mediante scambio termico con del fluido spillato all’uscita dello scambiatore stesso ed espanso fino a una pressione inferiore, ma comunque superiore alla pressione minima del ciclo.

Descrizione dell’invenzione

Con riferimento alla fig. 1 un compressore 1, dotato di porta ausiliaria 2 la cui apertura è comandata da un distributore 3 aspira dal lato evaporatore tramite la valvola 4 e comprime il gas aspirato attraverso la valvola di mandata 5 nello scambiatore 6 di alta pressione cede il calore a un fluido esterno (aria o acqua, ad esempio ma non esclusivamente).

A valle di detto scambiatore 6 una parte del fluido viene spillata - posizione 7 in fig.1 - ed espansa attraverso la valvola 8. Nello scambiatore 9 vengono quindi poste in scambio termico le due frazioni della portata totale uscente dallo scambiatore 9. Per definizione si dirà che nel circuito primario dello scambiatore 9 circolerà la portata destinata a essere inviata negli evaporatori, ovvero la portata rimanente dopo lo spillamento, la quale subirà quindi un raffreddamento sensibile, e nel ramo secondario dello scambiatore 9 circolerà la portata spillata al punto 7 e sottoposta a laminazione mediante la valvola 8, e quindi e destinata a essere immessa nel compressore attraverso la porta ausiliaria, dopo che la frazione liquida sarà stata completamente vaporizzata e surriscaldata mediante scambio termico nello scambiatore 9. La portata fluente attraverso il ramo primario dello scambiatore è quella destinata a essere inviata agli evaporatori 14 dal ricevitore di liquido 11, a seguito di una prima laminazione attraverso una valvola regolatrice 10.

Dal detto ricevitore di liquido 11 il vapore di flash generato durante la prima laminazione potrà essere a sua volta espanso in bassa pressione per limitare la pressione nel ricevitore di liquido attraverso, ad esempio, una valvola regolatrice 12, secondo metodi ben noti (vedere ad esempio W.F. Stoecker, Manuale della Refrigerazione industriale, Milano 2001 -Edizione in lingua originale 1998). Il liquido dal ricevitore 11 subirà un ulteriore espansione attraverso le valvole 13 e sottrarrà calore al fluido o al corpo da raffreddare tramite gli scambiatori/evaporatori 14, quindi il vapore formatosi tornerà al cilindro del compressore, per essere ricompresso, passando attraverso la valvola di aspirazione 4, secondo modalità ampiamente note.

Invece il vapore generato nel secondario dello scambiatore 9 dall’espansione del fluido spillato in posizione 7 viene condotto alla porta ausiliaria 2, attraverso la quale viene iniettato nel cilindro nell’intervallo di tempo in cui il movimento relativo del pistone e mettono in comunicazione il secondario dello scambiatore 9 con la camera del cilindro. Lo scambiatore 9 potrà essere realizzato oltre che con le modalità consuete, ad esempio con la configurazione a piastre o a fascio tubiero.

II punto di inizio immissione, come detto, è definito dal cinematismo di pistone e distributore che non è oggetto del presente trovato. Si ricorda solo che dovranno essere definiti un angolo di fase e una opportuna posizione della luce di immissione ausiliaria tali da ottimizzare il punto di inizio immissione, e questo dipenderà essenzialmente dalla pressione e dalla temperatura di aspirazione per le quali l’impianto è progettato. Vi saranno quindi diverse configurazioni, ognuna adatta a operare in un determinato campo della pressione di aspirazione. La quantità di vapore immessa nello scambiatore sarà controllata con opportuno algoritmo che utilizzerà i valori di pressione e temperatura letti da opportuni trasmettitori o comunque da dispositivi di uso comune destinati a trasmettere tali grandezze fisiche al controllore 19 e posti all’uscita del secondario dello scambiatore 9, e indicati con 17 e 18 rispettivamente. Il controllore potrà vantaggiosamente essere il medesimo utilizzato per la regolazione della valvola 10, utilizzando per la regolazione del grado di apertura della valvola 10 stessa i valori di pressione e temperatura ottenuti rispettivamente da 15 e 16. La valvola 8 verrà anzitutto regolata in modo da assicurare in tutte le condizioni di funzionamento un valore minimo del surriscaldamento del vapore in uscita dallo scambiatore 9 e diretto alla porta ausiliaria del compressore, questo per evitare che venga aspirato liquido. Tale condizione di surriscaldamento minimo sarà quella che determinerà la massima portata spillata.

Sarà possibile ridurre - ma non aumentare - la portata spillata rispetto a questo valore massimo, e quindi ridurre la quantità di fluido immessa nella camera del cilindro, ottenendo nello scambiatore 9, sempre a livello qualitativo, i profili di temperatura indicati in fig. 2 con surriscaldamento via via crescente - curve 2-1, 2-2 e 2-3 - al diminuire del carico (riportato in %). E’ necessario infatti considerare che il compressore può funzionare a velocità variabile oppure che ci possono essere più compressori in parallelo.

Il segnale di ingresso all’algoritmo di regolazione sarà la temperatura di ingresso del fluido in alta pressione all’ingresso dello scambiatore 9, quindi la temperatura misurata dal trasmettitore 16, e il regolatore manterrà una pressione nel secondario a valle dello scambiatore 9 funzione di detta temperatura 16. Si potrà ottenere la pressione desiderata variando il grado di apertura della valvole e quindi il surriscaldamento della portata fluente nel ramo secondario dello scambiatore. Detto surriscaldamento non sarà però la variabile utilizzata per la regolazione, essendo tale grandezza misurata e controllata solo per evitare aspirazione di liquido al compressore.

L’effetto della chiusura della valvola 8 sarà anche quello di ridurre la pressione finale, e quindi la portata ausiliaria immessa, nella camera del cilindro al momento della chiusura della luce di ammissione.

Evidentemente per evitare condizioni di back-flow dal cilindro allo scambiatore la pressione nel ramo secondario dello scambiatore 9 dovrà essere mantenuta a un valore minimo.

Mediante una complessa analisi termodinamica si trova che per ogni condizione operativa (essenzialmente la pressione di aspirazione e la temperatura del fluido usato per il raffreddamento dello scambiatore di alta pressione) esisterà una portata ottimale spillata e quindi aspirata attraverso la porta ausiliaria del compressore, ovvero una portata tale da ottimizzare il COP dell’impianto.

L’andamento del COP e delle pressioni di inizio e fine immissione, che si ricorda avverrà durante la fase iniziale di compressione anziché al PMI come nel ciclo Voorhees classico, è riportato qualitativamente in fig.3. Si vede come per ogni condizione operativa al variare della pressione di inizio e fine immissione varia la portata immessa e il COP. Nel grafico di fig. 3 l’andamento della pressione di inizio e fine immissione ausiliaria sono varie condizioni operative dalle curve Pu , PÌA, PÌB, PÌB, Pie, Pfc, PÌD, Pfb·

Le condizioni corrispondono, a livello qualitativo, a quelle riportate nella seguente tabella rappresentano tipiche situazioni qualora il raffreddamento dello scambiatore di alta pressione avvenga con aria ambiente e nel caso in cui il refrigerante impiegato sia anidride carbonica. Si tratta comunque solo di un esempio inteso come ausilio a una migliore comprensione del fenomeno.

Condizione Temp.aria Alta pressione Temperatura uscita raffreddamento [°C] [bar] scambiatore [°C]

A 25 75 27

B 30 80 32

C 35 90 37

D 40 100 42

Nel grafico di fig. 3 è riportato anche, per le condizioni considerate, l’andamento qualitativo delle curve che rappresentano l’incremento di COP, riportate come ACOPa, ACOPB, ACOPc e ACOPd.

Si vede ad esempio dal grafico di fig. 3 come nella condizione D si ha il massimo ACOP quando la portata ausiliaria è circa il 50% della portata principale. Per immettere tale portata è necessario idealmente iniziare l’immissione , partendo da una pressione di aspirazione di 26,5 bar, valore del tutto indicativo, per un valore della pressione nella camera del cilindro di 37 bar, fino al valore di equilibrio con una pressione a monte pari a circa 60 bar.

Evidentemente, come già detto, la pressione di inizio immissione sarà determinata univocamente dalla pressione di aspirazione e dalla disposizione relativa di pistone/distributore. Si vede comunque che il massimo del COP è abbastanza prossimo a una pressione di inizio immissione costante per tutte le condizioni, vale a dire in questo caso circa 37 bar.

La pressione di fine immissione, idealmente quella nello scambiatore, potrà invece essere determinata con un opportuno controllo, descritto qualitativamente dal grafico di fig.2.

Il controllo dovrà anzitutto, come detto, fare in modo che non vi sia mai uscita di liquido dallo scambiatore, di conseguenza risulterà determinata la massima portata e in base a questo valore e alle condizioni operative dovrà essere dimensionato detto scambiatore e gli altri componenti del circuito.

A seconda della temperatura del fluido in uscita dallo scambiatore di alta pressione si dovrà iniettare meno vapore, e questo si potrà ottenere riducendo l’apertura della valvola a valori inferiori rispetto a quelli che consentono di immettere la massima portata. In conseguenza si ridurrà il valore della pressione nello scambiatore e quindi il valore finale della pressione di immissione attraverso la porta ausiliaria.

II processo sembra complicato, in realtà si tratta solo di definire, analiticamente e sperimentalmente a priori, la relazione tra la temperatura di uscita dallo scambiatore di alta pressione 6 e la pressione desiderata nel ramo secondario dello scambiatore 9. Tale relazione è riportata, sempre a livello qualitativo, nel grafico di fig. 3, come la curva congiungente i punti A, B, C e D.

Claims (2)

1. RIVENDICAZIONI 1) Sistema frigorifero che utilizza C02come refrigerante concepito secondo un ciclo standard che include uno scambiatore per il sottoraffreddamento del fluido frigorigeno all’uscita dello scambiatore di alta pressione e un compressore con porta di aspirazione ausiliaria controllata da un distributore, nel quale sistema il sottoraffreddamento del fluido frigorigeno prima della laminazione per immissione negli evaporatori è ottenuto con scambio termico tra una frazione della portata totale, spillata alla fine di detto scambiatore di alta pressione per mezzo di una valvola di alimentazione ed evaporata nel circuito primario di detto scambiatore di sottoraffreddamento, e la rimanente frazione della portata totale che fluisce nel secondario di detto scambiatore di sottoraffreddamento, e nel quale il vapore generato nel primario di detto scambiatore di sottoraffreddamento viene iniettato nella camera di compressione del compressore durante la prima fase di compressione attraverso detta porta ausiliaria, la cui apertura è sincronizzata con il movimento del pistone, essendo tale porta ausiliaria situata al di sopra del punto morto inferiore raggiunto dalla parte superiore del pistone, essendo possibile con tale disposizione variare la frazione di portata spillata variando la pressione nel primario di detto scambiatore di sottoraffreddamento mediante un opportuno grado di apertura di detta valvola di alimentazione che sarà controllata in modo tale da ottimizzare l’efficienza del sistema frigorifero, impiegando a tale scopo una curva di controllo predefinita e tale da aumentare il grado di apertura di detta valvola di alimentazione all’aumentare della temperatura del fluido frigorigeno all’uscita di detto scambiatore di alta pressione e viceversa.
2. 2) Sistema frigorifero di cui al punto 1) in cui sono presenti più compressori e o più evaporatori, essendo unico lo scambiatore di sottoraffreddamento e la valvola di alimentazione.