ITTV20110077A1 - Sistema frigorifero a compressione di vapore e espansione diretta con elevato rapporto di circolazione negli evaporatori. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Avente per titolo : Sistema frigorifero a compressione di vapore e espansione diretta con elevato rapprto di circolazione negli evaporatori.

Premessa e stato dell’arte

Nei sistemi frigoriferi a compressione di vapore e a espansione secca normalmente realizzati, ad esempio con i refrigeranti sintetici HFC (R404A, R507), la distribuzione di refrigerante al l’evaporatore o agli evaporatori avviene da un ricevitore di liquido posto a valle del condensatore. Il ricevitore si trova alla pressione di condensazione, controllata indirettamente dalla capacità termica di flusso dei fluido di raffreddamento (aria o acqua) e dalle caratteristiche geometriche dello scambiatore. La distribuzione di refrigerante all’ evaporatore o agli evaporatori avviene con valvole di espansione che regolano il surriscaldamento all’uscita di ogni singolo evaporatore. Come conseguenza la carica di refrigerante non attiva in un dato momento rimane confinata nel ricevitore di liquido posto in alta pressione in tutte le condizioni di lavoro. Il sistema oggetto del presente trovato à ̈ inteso per utilizzo con refrigerante R744 (anidride carbonica). Tale fluido à ̈ caratterizzato da proprietà favorevoli, quali la non infiammabilità, la non tossicità e impatto ambientale nullo, ma anche da una elevata pressione di saturazione alle temperature di comune utilizzo, caratteristica negativa soprattutto nel caso in cui le tubazioni del liquido siano installate in locali frequentati dal pubblico come à ̈ il caso dei supermercati.

I sistemi multievaporatore con fluido R744 (anidride carbonica) sono stati fino ad ora realizzati secondo un concetto analogo a quello sopra descritto con l’aggiunta di una valvola, per il controllo attivo dell’alta pressione, installata tra lo scambiatore di alta pressione (condensatore/ gas cooler) e il ricevitore di liquido. Per il resto nulla cambia riguardo all'accumulo della carica non attiva di refrigerante. Tale soluzione impiantistica à ̈ definita nella letteratura tecnica di tipo IPR (Intermediate Pressure Receiver).

II sistema con accumulo della carica non attiva nel ricevitore in bassa pressione, definito di tipo LPR (Low Pressure Receiver), ampiamente noto e oggi comune nei sistemi a singolo evaporatore con R744 come refrigerante, presenta della caratteristiche desiderabili quando si utilizzino dei fluidi ad alta pressione, poiché detto ricevitore di liquido opera a pressione significativamente più bassa di un ricevitore installato in un impianto di tipo IPR, e si trova sul lato di aspirazione del compressore anziché sul lato premente. Con detta soluzione impiantistica non viene controllato il surriscaldamento all’uscita dell’unico evaporatore e la laminazione del fluido refrigerante avviene dall'uscita dello scambiatore di alta pressione, quindi senza interposizione di un ricevitore di liquido, controllando solo l'alta pressione. In condizioni di equilibrio la portata di refrigerante eventualmente non evaporata viene immagazzinata nel ricevitore in bassa pressione da cui viene rimessa in circolo - mediante spillamento da detto ricevitore - generalmente attraverso uno scambiatore rigenerativo.

Una soluzione sìmile sarebbe desiderabile anche in un sistema multi evaporatore per diversi motivi, tra i quali l’assenza di rischio di aspirazione di liquido ai compressori e il funzionamento ottimizzato degli evaporatori nei quali sarebbe possibile ottenere un rapporto di circolazione Rc, definito come rapporto tra la portata di refrigerante in circolazione negli evaporatori e la portata evaporata, sensibilmente maggiore di 1, e quindi ottenere un notevole incremento delle prestazioni dato il migliore scambio termico e l’assenza di surriscaldamento.

Una situazione ideale à ̈ rappresentata da uno schema di impianto equivalente a quello di un sistema frigorifero con circolazione forzata del refrigerante tramite pompa, senza gli svantaggi della pompa dì circolazione, principalmente il costo elevato e il rischio di cavitazione.

Lo scopo del presente trovato à ̈ l'estensione della soluzione impiantistica con ricevitore in bassa pressione al caso in cui ci siano più evaporatori in parallelo, come à ̈ il caso di molti sistemi frigoriferi centralizzati.

Descrizione dell’invenzione

Possibili configurazioni dell’invenzione sono schematizzate in fig. 1, 2, 3 e 4, essendo tali schemi funzionalmente equivalenti.

Con riferimento alla fig. 1 il compressore ( i compressori) 1 aspira (aspirano) dal ricevitore di bassa pressione 8 e comprime (comprimono) il refrigerante alla pressione superiore del ciclo nel condensatore / scambiatore di calore 2, nel quale il refrigerante viene raffreddato con l’aria esterna o con altro fluido utilizzato per il raffreddamento dello scambiatore 2. La pressione in detto scambiatore 2 viene controllata sia da portata e temperatura del fluido di raffreddamento sia tramite una valvola 4 posta sulla tubazione a valle dello scambiatore 2, secondo una tecnica nota.

A valle della valvola regolatrice di alta pressione 4 Ã ̈ presente un separatore liquido/vapore 5 avente la funzione di separare il vapore di flash, prodotto dalla prima espansione attraverso la valvola 4, dal liquido destinato ad alimentare gli evaporatori.

Il fluido refrigerante in uscita dallo scambiatore 2 viene immesso, prima dell’ingresso alla valvola 4, in uno scambiatore 3 in cui viene raffreddato mediante scambio termico con il fluido contenuto nel ricevitore di bassa pressione 8. 11 raffreddamento inizierà quando un segnale di minimo livello, sia con segnale continuo che ON/OFF, ad esempio ma non esclusivamente generato da un interruttore di livello minimo 1 1, provocherà l’apertura della valvola 10 che metterà in comunicazione il ricevitore 8, e il liquido in esso contenuto, con il ramo primario dello scambiatore 3, permettendo il deflusso di refrigerante liquido che evaporerà e per differenza di densità ritornerà sotto forma di vapore alla sommità del ricevitore 8. L’interruttore di livello azionerà l’apertura della valvola 10 nel caso in cui il livello di refrigerante nel separatore 5 sia inferiore a un valore determinato dalla posizione dello stesso interruttore 1 1 A seguito di questo una certa portata di liquido contenuto nel ricevitore 8 e indicata con m2evaporerà sottraendo calore al fluido proveniente dallo scambiatore 2.

Il conseguente raffreddamento del fluido nel secondario dello scambiatore 3 produrrà una sensibile riduzione del titolo di vapore immesso in 5 e, a parità di portata mi in uscita da 5 si otterrà un aumento della frazione liquida nel separatore 5 stesso e quindi un aumento di livello.

Il refrigerante uscente dal separatore 5 viene immesso tramite la valvola di regolazione 6 negli evaporatori 7 nei quali una frazione della portata, al limite tutta, evaporerà sottraendo calore alla sostanza o al fluido da raffreddare. La portata di fluido eventualmente non evaporata, mL, sarà trasportata insieme alla portata di vapore mvnel ricevitore di bassa pressione 8 attraverso la tubazione di aspirazione. Le valvole 6 poste a monte di ogni singolo evaporatore 7 saranno preferibilmente regolate in modo da immettere negli evaporatori una portata di refrigerante superiore a quella che sarà effettivamente evaporata. Non rientra tra gli scopi del presente trovato la descrizione della tecnica di controllo delle valvole 6, si cita solo, come riferimento, un metodo di controllo usato nel caso di circolazione di refrigerante tramite pompa, ovvero un controllo del grado di apertura delle valvole 6 proporzionale al carico, calcolato ad esempio come scostamento dal set point della temperatura del fluido da raffreddare.

Una valvola differenziale 9 limiterà la pressione nel separatore 5, facendo defluire una portata di vapore m3nel ricevitore 8, e la differenza di pressione tra 5 e 8 sarà regolata in maniera tale da avere un differenziale di pressione sufficiente a far circolare il fluido refrigerante negli evaporatori. Tale valvola 9 potrà essere sostituita sia da un dispositivo di controllo di tipo elettronico che effettui una analoga protezione di pressione differenziale oppure da una valvola per il controllo della pressione assoluta nel separatore 5, utilizzando componenti ampiamente disponibili sul mercato.

Definita con m1la portata in uscita da 5 e circolata in 7, e indicata con mvla portata di refrigerante vaporizzata in 7, si avrà m1=mL+mv.

La relazione tra la portata aspirata dal compressore, m0, e le altre portate in gioco à ̈ data da m0=m3+m2+mv

Poiché à ̈ stato definito Rc= m|/mvsi avrà anche Rc-(<m>L<+>niv)/mv, e se mt,>0 si avrà Rc>l. La soluzione descritta risolve quindi il problema di trasferire dal ricevitore 8 al separatore 5 la differenza tra la portata circolata mje la portata mvevaporata negli evaporatori 7,

In fig. 7 à ̈ riportato graficamente, per 2 diverse condizioni delle condizioni all’uscita dello scambiatore 2, corrispondenti a 2 diverse temperature del Paria esterna , un esempio della modalità di calcolo del massimo Rc ottenibile. Il valore di Rc massimo teorico à ̈ evidentemente dato, alle due condizioni estreme riportate nel grafico, corrispondenti rispettivamente ad aria esterna a 35°C e aria esterna a 0°C e con temperatura di evaporazione -8°C, da Rcmax=A/(A-C) nel primo caso e RCma.x=A/(A-B) nel secondo. Approssimativamente tra le due condizioni estreme Rc varia quindi tra 1,20 e 1,70.

Un ulteriore sensore di livello, sia con segnale continuo che ON/OFF, che viene qui chiamato per semplicità interruttore di livello 12 di sicurezza potrà aprire la valvola 13 qualora il livello nel separatore 5 superi il livello a cui à ̈ posizionato il livello 12 stesso.

Il principio oggetto del presente trovato funziona quindi, con minor vantaggio per lo scambio termico in 7, anche nel caso in cui le valvole 6 siano regolate per ottenere all’uscita degli evaporatori 7 un titolo del vapore 1 ,0 e quindi Rc=l.

Una soluzione equivalente a quella sopra descritta à ̈ rappresentata in fig.2. Anche in questo caso a valle della valvola regolatrice di alta pressione 4 à ̈ presente un separatore liquido/vapore 5 avente la funzione di separare il vapore di flash, prodotto dalla prima espansione attraverso la valvola 4, dal liquido destinato ad alimentare gli evaporatori.

Il fluido refrigerante in uscita dallo scambiatore 2 viene fatto defluire inizialmente attraverso la valvola di regolazione 4, e successivamente, dopo la laminazione, nello scambiatore 3 in cui subirà un processo di sottrazione di calore attraverso uno scambio termico con il fluido a temperatura inferiore contenuto nel ricevitore di bassa pressione 8.

La sottrazione di calore al fluido bifase produrrà una condensazione parziale o totale della fase vapore e quindi una sensibile riduzione del titolo di vapore nella portata di fluido immessa in 5 e anche in questo caso, a parità di portata m1 in uscita da 5, si otterrà un aumento della frazione liquida nel separatore 5 stesso come descritto per il caso precedente.

Il processo di raffreddamento anche con questa configurazione inizierà in base a un segnale di livello minimo generato da 11.

Una ulteriore soluzione equivalente alle 2 precedenti à ̈ rappresentata in figura 3 e potrà essere realizzata quando lo spazio disponibile lo consenta, essendo legata a ben determinati vincoli geometrici, dato che il separatore 5 dovrà essere a livello geodetico inferiore allo scambiatore 3.

Secondo questa soluzione alternativa il raffreddamento e la condensazione del vapore contenuto nel separatore 5 sarà realizzata sempre mediante scambio termico con il liquido freddo contenuto nel ricevitore 8 attraverso lo scambiatore 3, ma anche nel ramo secondario dì detto separatore 3, ramo compreso tra il separatore 5 e lo scambiatore 3, la circolazione avverrà per differenza di densità, essendo detto separatore 5 posto a livello inferiore rispetto allo scambiatore 3, a sua volta posizionato a livello della parte bassa del ricevitore di liquido 8 in modo da permettere l’allagamento dello scambiatore 3 stesso. In questo caso il segnale di livello minimo rilevato per mezzo dell’interruttore 1 1 potrà innescare il processo di scambio termico sia aprendo la valvola IO sia agendo sulla valvola 10’.

Anche la soluzione riportata in figura 4 Ã ̈ funzionalmente equivalente alle precedenti.

In tal caso in parallelo alla valvola 4 à ̈ montato un eiettore 14 attraverso il quale fluisce una frazione della portata proveniente dallo scambiatore di alta pressione 2. Secondo il noto principio di funzionamento dell’eiettore 14, con la circuitazione proposta e rappresentata in fig.4, attraverso la porta secondaria 15 sarà aspirata una portata di fluido prelevata dalla sommità del separatore liquido/vapore 5 e fatta circolare, prima di essere aspirata dall’eiettore 14, attraverso lo scambiatore 3 e nel quale avverrà una condensazione parziale o totale mediante scambio termico con il liquido freddo prelevato dal ricevitore 8 e circolante nel primario dello scambiatore 3. Il segnale necessario per l’avvio del processo di scambio termico nello scambiatore 3 sarà, come nei casi precedenti, dato ad esempio da un interruttore di livello 1 1 e potrà agire sia sulla valvola 10 che sulla valvola 10’.

Tutte le configurazioni descritte e rappresentate nelle fig.1, 2, 3 e 4 hanno in comune lo scambio termico tra il liquido freddo e il fluido o parte del fluido nel circuito in alta pressione o alla pressione intermedia, permettendo un trasferimento indiretto di carica liquida dalla bassa alla media pressione permettendo di operare il sistema con Rc>1. Supponendo completa condensazione della portata m4 nello scambiatore 3 si ha mLmax=m4.

Una variante della configurazione base di trasferimento indiretto della carica liquida descritta nelle 4 possibili configurazioni à ̈ rappresentata in fìg.5. Con riferimento alla fìg. 5 il compressore ( i compressori) 1 aspira (aspirano) dal ricevitore di bassa pressione 8 e comprime (comprimono) il refrigerante alla pressione superiore del ciclo nel condensatore / scambiatore di calore 2, dove detto refrigerante viene raffreddato con l’aria esterna o con il fluido utilizzato per il raffreddamento.

In parallelo alla valvola regolatrice di alta pressione 4 à ̈ presente un eiettore 14. A valle del gruppo valvola 4 / eiettore 14 à ̈ presente, come nelle configurazioni descritte in precedenza, un separatore liquido/vapore 5. Il refrigerante uscente dal separatore 5 entra tramite la valvola di regolazione 6 negli evaporatori 7 nei quali una frazione della portata, al limite tutta, evaporerà sottraendo calore alla sorgente fredda. La frazione di liquido eventualmente non evaporata sarà trasportata nel ricevitore di bassa pressione 8 attraverso la tubazione di aspirazione.

Le valvole 6 poste a monte di ogni singolo evaporatore 7 vengono idealmente regolate anche in questo caso in modo da immettere negli evaporatori una portata di refrigerante superiore a quella che sarà effettivamente evaporata.

Un interruttore di livello 11 comanderà in apertura la valvola 10 dì ammissione del refrigerante liquido alla porta di aspirazione 15 dell’eiettore 14, qualora il livello di refrigerante nel separatore 5 sia inferiore a un valore determinato dalla posizione dello stesso, permettendo il trascinamento di liquido dal ricevitore 8 al separatore 5. Un ulteriore interruttore di livello 12 potrà comandare in apertura la valvola 13 qualora il livello nel separatore 5 superi il livello a cui à ̈ posizionato il livello 12 stesso.

Come nelle precedenti configurazioni una valvola differenziale 9 limiterà la pressione nel separatore 5, e anche in questo caso la valvola 9 potrà essere sostituita sia da un dispositivo di controllo di tipo elettronico che effettui una analoga protezione di pressione differenziale oppure da una valvola per il controllo della pressione assoluta nel separatore 5.

In questo caso in condizioni di equilibrio si avrà ovviamente m5=mL, e con m5>0 si potrà ottenere Rc> 1.

Si descrive infine una ulteriore configurazione derivante da una combinazione di quelle descritte in precedenza. Tale soluzione à ̈ riportata in fig. 6. La combinazione del metodo di fig. 5, consistente nel trascinamento diretto di una certa portata di liquido direttamente dal ricevitore 8 al separatore 5 tramite un eiettore montato in parallelo alla valvola 4, à ̈ possibile in teoria con tutte le soluzioni di fig.l, 2, 3. Viene descritta come esempio in fig. 6 la combinazione del sistema a trascinamento diretto di liquido, come da fig.5, con il sistema descritto in fig- 3.

Si avrà in questo caso, con riferimento alla fig. 6, mL=m4+m5, permettendo quindi un più elevato rapporto Rc;. Il valore di questo à ̈ variabile a seconda delle condizioni operative e del dimensionamento dell’eiettore 14, ma indicativamente à ̈ possibile ottenere un Rcvariabile tra 1,5 e 2,0 quindi ampiamente all’interno della zona operativa tipica della circolazione forzata con pompa.

I vantaggi del sistema proposto, secondo tutte le configurazioni descritte nelle figure da 1 a 6 rispetto ai sistemi convenzionale che usino R744 come refrigerante e con ricevitore intermedio - IPR - sono i seguenti: a) utilizzo ottimale della superficie di scambio degli evaporatori

b) volume del ricevitore di liquido ridotto poiché la carica non attiva si trova in condizioni di densità maggiore

c) elevata inerzia termica del sistema lato tubazioni dì distribuzione ed evaporatori

d) nessun rischio di aspirazione di liquido nei compressori, poiché il ricevitore 8 à ̈ dimensionato per contenere tutta la carica di refrigerante

e) in caso di rottura delle tubazioni nella rete di distribuzione solo la limitata quantità di liquido presente nel separatore 5 potrà essere dispersa istantaneamente, con notevole effetto sulla sicurezza delle persone f) una eventuale unità di raffreddamento di backup installata sul ricevitore di bassa pressione 8 permetterà in modo semplice di limitare la pressione in tutto il circuito

g) sistema dì controllo degli evaporatori più semplice ed economico

Oltre a questo, operando praticamente con surriscaldamento prossimo a zero si può ridurre il differenziale di temperatura tra aria o fluido da raffreddare e il fluido refrigerante nell'evaporatore, potendo operare il sistema a un livello più elevato della pressione di evaporazione, soluzione che permette di ridurre il consumo energetico specialmente quando il carico termico à ̈ basso.

Claims (3)

1. RIVENDICAZIONI 1 ) Circuito frigorifero multievaporatore del tipo con ricevitore di liquido in bassa pressione utilizzante anidride carbonica come refrigerante comprendente almeno un compressore (1), un condensatore / gas cooler (2), una prima valvola di laminazione (4), un separatore liquido/vapore (5) dotato di una valvola di limitazione della pressione (9) e nel quale separatore sia installato un dispositivo di rilevazione del livello di liquido (11), e dal quale separatore (5) il refrigerante liquido alimenti gli evaporatori (7) tramite un secondo dispositivo di laminazione (6), comprendendo detto circuito un ricevitore di liquido in bassa pressione (8) ed essendo tale circuito caratterizzato da almeno un eiettore (14) connesso in parallelo alla prima valvola di laminazione (4) ed essendo tale circuito frigorifero configurato per il trasferimento diretto di refrigerante liquido dal ricevitore in bassa pressione (8) al separatore (5) attraverso la porta di aspirazione (15) dell 'eiettore (14), essendo il trasferimento di fluido attivato, con lo scopo di mantenere un minimo livello liquido nel separatore (5) anche qualora la portata di massa circolante negli evaporatori (7) sia superiore alla portata evaporata, tramite l’apertura di una valvola (10) nella linea che collega la parte inferiore del ricevitore di bassa pressione (8) alla porta di aspirazione (15) dell’eiettore (14), essendo l’apertura della valvola (10) basata su un segnale di livello minimo generato dal dispositivo di rilevazione del livello di liquido (11), quando il livello di refrigerante liquido in detto separatore (5) sia inferiore a un valore minimo.
2. 2) Circuito frigorifero di cui alla rivendicazione 1), caratterizzato da uno scambiatore di calore (3), un ramo del quale scambiatore (3), definito primario, sia configurato per la circolazione di liquido freddo dal ricevitore (8) , consentendo lo scambio termico tra il liquido freddo stesso e il fluido in alta pressione uscente dal condensatore/gas cooler (2) e circolante nell’altro ramo, definito secondario, di esso ed essendo detto fluido in alta pressione raffreddato prima dell’ingresso alla prima valvola di laminazione (4) ed essendo il trasferimento di calore attivato, con lo scopo di ridurre la qualità del vapore all’ingresso del separatore (5) e quindi mantenere un livello minimo di liquido anche qualora la portata di massa circolante negli evaporatori (7) sia superiore alla portata evaporata , tramite l’apertura di una valvola (10) posta nel tratto di tubazione che collega la parte inferiore del ricevitore di bassa pressione (8) con la porta di ingresso del ramo primario di detto scambiatore (3) , essendo l’apertura della valvola (10) basata su un segnale di livello minimo generato dal dispositivo di rilevazione del livello di liquido (11), quando il livello di refrigerante liquido in detto separatore (5) sia inferiore a un valore minimo.
3. 3) Circuito frigorifero di cui alle rivendicazioni 1) e 2) in cui eiettore (14) sia installato in un tratto di tubazione che collega l’uscita del gas cooler (2) e il separatore (5), essendo detto tratto di tubazione in parallelo con il tratto di tubazione che collega l’uscita del condensatore / gas cooler (2) con l’ingresso del separatore (5) attraverso lo scambiatore (3) e la prima valvola di laminazione (4) 4) Sistema refrigerante che utilizzi le disposizioni circuitali di cui alle rivendicazioni da 1) a 3) .