ITTV20110141A1 - Sistema frigorifero con refrigerante r744 con elevato rapporto di circolazione negli evaporatori. - Google Patents

Sistema frigorifero con refrigerante r744 con elevato rapporto di circolazione negli evaporatori. Download PDF

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Description

Sistema frigorifero con refrigerante R744 con elevato rapporto di circolazione negli evaporatori
Premessa e stato dell’arte
Nella domanda di brevetto n. TV201 1 A000077 à ̈ stato descritta una modalità di realizzazione di un sistema frigorifero multi evaporatore con ricevitore in bassa pressione con refrigerante R744 (anidride carbonica) e caratterizzato da un certo grado di sovra-alimentazione degli evaporatori senza l’utilizzo di una pompa di circolazione.
La configurazione impiantistica ivi riportata rappresenta una notevole evoluzione rispetto allo stato dell’arte pre-esistente costituita sia dal metodo dell’espansione secca sia dal metodo di circolazione del refrigerante con pompa, ma presenta una certa complicazione costruttiva legata al fatto che detto trovato TV201 1A000077 punta a ottenere il mantenimento della carica non attiva in un serbatoio posto sui lato di aspirazione del sistema di compressione e per realizzare questo principio sono necessari degli interruttori o dei sensori di livello, oltre alla parte di regolazione conseguente. In alcuni casi sarebbe desiderabile ridurre la complessità impiantistica e il numero di componenti soggetti a potenziale guasto anche rinunciando al principio di avere tutta o quasi tutta la carica non attiva sul Iato di bassa pressione.
Lo scopo del presente trovato à ̈ l'estensione del principio della soluzione impiantistica con ricevitore in bassa pressione e sovra-alimentazione degli evaporatori a un sistema che non necessariamente sia progettato per mantenere tutta o gran parte della carica non attiva in bassa pressione ma che presenti una maggiore semplicità costruttiva, accettando che la carica non attiva dì refrigerante possa essere mantenuta anche nel serbatoio di media pressione.
Descrizione dell'invenzione
Alcune possibili configurazioni dell’invenzione secondo una prima modalità di esecuzione sono schematizzate in fig. 1, 4, 5 e 6, essendo tali schemi funzionalmente equivalenti.
Con riferimento alla fig. 1 Π compressore ( i compressori) 1 aspira (aspirano) dai ricevitore di bassa pressione 8 e comprime (comprimono) il refrigerante alla pressione superiore del ciclo nel condensatore / scambiatore dì calore 2, nel quale il refrigerante viene raffreddato con Paria esterna o con altro fluido utilizzato per il raffreddamento dello scambiatore 2. La pressione in detto scambiatore 2 viene controllata sia indirettamente da portata e temperatura del fluido di raffreddamento sia direttamente tramite una valvola regolatrice 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 gii evaporatori.
Il fluido refrigerante in uscita dallo scambiatore 2 viene immesso, prima de 1Γ 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. Il refrigerante liquido contenuto in detto ricevitore circolerà nel primario dello scambiatore 3 per differenza di densità e ritornerà sotto forma di vapore alla sommità del ricevitore 8 stesso. 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. 11 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 dì fluido eventualmente non evaporata, mL, sarà trasportata insieme alla portata di vapore mv nel 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 regolazione di pressione differenziale oppure da una valvola per il controllo della pressione assoluta nel separatore 5, utilizzando componenti ampiamente disponibili.
Definita con mjla portata in uscita da 5 e circolata in 7, e indicata con mv la portata di refrigerante vaporizzata in 7, si avrà ηΠι=τη[+ιτιÎ1⁄2, essendo mLla portata non evaporata.
La relazione tra la portata aspirata dal compressore, m{), e le altre portate in gioco à ̈ data da mo=m3+m2+mv, essendo m2la portata evaporata nel primario dello scambiatore 3 e m3la portata di flash scaricata in aspirazione.
Poiché à ̈ stato definito RC= m1 /mv si avrà anche Rf— ( m i+niv )/ m v , e se mt>0 si avrà ROL La soluzione descritta risolve il problema di trasferire dal ricevitore 8 al separatore 5 la differenza tra la portata circolata mi e la portata my evaporata negli evaporatori 7,
Il motivo della differenza con i sistemi convenzionali a espansione secca, che permettono solo valori di RC =1, à ̈ chiarito dal confronto con la fig.2. Il bilancio di portata di massa al separatore 5 e ai l’aspirazione del compressore per la configurazione di fig. I fornisce rispettivamente mo=m3+mje m(f=m3+my+m2. Uguagliando le due espressioni si ha mo=in3+mi=m3+mv+ni2, ovvero ηΠ|=ηιÎ1⁄2-Ηη?.
Lo stesso bilancio effettuato per la condizione di fig. 2 fornisce soltanto la condizione nio=m3+m ι , e quindi necessariamente deve essere my=m[.
Assumendo ad esempio un titolo di vapore x all’uscita dalla valvola 4 uguale a 0,3 e m()=l kg/s sì ha nel caso del sistema riportato in fig. 2, di tipo convenzionale a espansione secca e con semplice scarico dei vapore di flash in aspirazione, la condizione mi =0,7 kg/s e m3=Q,3 kg/s,
E’ evidente che risulta possibile solo la condizione mi=0, poiché mv<~>m|. Nel caso invece del sistema di fìg.l, assumendo di ottenere, mediante opportuno dimensionamento dello scambiatore 3, al Fuse ita dalla valvola 4 un titolo x=0,05 si avrà, sempre con mirri kg/s, m2=0,25 kg/s e m3=0,05 kg/s. Da quanto dimostrato in precedenza poiché si ha che inv^nto-mr m2=0,7 e anche m]=mn-m3=0,95 si ha RO mi/mv=ì,357.
In fig. 3 à ̈ visualizzato graficamente, per 2 diverse condizioni delle condizioni all’uscita dello scambiatore 2, corrispondenti a 2 diverse temperature del l’aria esterna , l’individuazione dei parametri termodinamici che permettono il 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 RCmax=A/(A-B) nel secondo. Approssimativamente tra le due condizioni estreme Rcvaria quindi tra 1,20 e 1,70.
Il principio oggetto del presente trovato funziona, con minor vantaggio per Io scambio termico in 7, anche nei caso in cui le valvole 6 siano regolate per ottenere all’uscita degli evaporatori 7 un titolo del vapore 1,0 e quindi RC=1 .
Una soluzione equivalente a quella sopra descritta à ̈ rappresentata in fig.4. 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 dì flash, prodoto 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 della pressione 4, e successivamente, dopo la laminazione, nello scambiatore 3 in cui subirà un processo di sottrazione di calore atraverso uno scambio termico con il fluido a temperatura inferiore contenuto nel ricevitore dì bassa pressione 8. La sottrazione di calore al fluido bifase produrrà una condensazione parziale o totale della fase vapore e quindi una riduzione del titolo di vapore nella pollata di fluido immessa in 5 e anche in questo caso, a parità di portata mi in uscita da 5, si otterrà un aumento della frazione lìquida nel separatore 5 stesso come descrìtto per il caso precedente.
Una ulteriore soluzione equivalente alle 2 precedenti à ̈ rappresentata in fig.5 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 atraverso lo scambiatore 3, ma anche nel ramo secondario di detto separatore 3, ramo compreso tra il separatore 5 e lo scambiatore 3, la circolazione avverrà per differenza di densità, essendo deto 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.
Anche la soluzione riportata in fig. 6 Ã ̈ funzionalmente equivalente alle precedenti.
In tal caso il fluido uscente dallo scambiatore di raffreddamento in alta pressione 2 passa attraverso un eiettore che darà luogo alla prima laminazione del refrigerante prima deH’immissione nel separatore 5. Tale eiettore potrà essere a sezione di passaggio variabile e regolabile con opportuno meccanismo di azionamento secondo tecnica nota oppure a sezione di deflusso fìssa. In tal caso la funzione di regolazione fine dell’alta pressione sarà demandata a una valvola regolatrice 4, analogamente a quanto sopra descritto, montata in parallelo all’ eiettore 14. Attraverso l’eiettore 14 fluirà in tal caso solo 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.6, attraverso la porta secondaria 15 dell’eiettore 14 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 proveniente dal ricevitore 8 e circolante nel primario di detto scambiatore 3. Tutte le configurazioni descritte e rappresentate nelle fig.l, 4, 5 e 6 hanno in comune lo scambio termico tra il liquido freddo, ovvero la frazione non evaporata della portata immessa negli evaporatori 7, 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 e quindi di far funzionare il sistema con ROl. Una variante della configurazione base di trasferimento indiretto della carica liquida descritta nelle 4 possibili configurazioni à ̈ rappresentata in fig.7. Con riferimento alla fig. 7 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 la rimozione del calore dal sistema frigorifero.
Nel ramo di tubazione che collega lo scambiatore 2 al separatore 5 à ̈ presente un eiettore 14 come descritto in precedenza. Detto eiettore può essere a geometria variabile oppure fissa, e in tal caso sarà montato in parallelo alla valvola regolatrice di alta pressione 4 a cui sarà demandato il compito di una regolazione fine dell’alta pressione per Γ adeguamento alla variabili condizioni di carico. 11 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 come descritto in precedenza.
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 regolazione 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 in5>0 sì potrà ottenere RC>1.
Sono possibili delle ulteriori configurazioni derivanti dalla combinazione di alcune descritte in precedenza. Due tra queste possibili configurazioni sono riportate in fig. 8 e 9. La combinazione del metodo di fìg. 7, consistente nel trascinamento diretto di una certa portata di liquido direttamente dal ricevitore 8 al separatore 5 tramite un eiettore eventualmente montato in parallelo alla valvola 4, à ̈ possibile in teoria con tutte le soluzioni di fig. 1, 4 e 5. Come esempio viene riportata in fìg. 8 la combinazione del sistema a trascinamento diretto di liquido, come da fig.7, con il sistema descritto in fig. 5. Un’altra possibile configurazione utilizzabile nel caso in cui l’eiettore 14 sia montato in parallelo alla valvola 4 prevede che la frazione di portata circolante attraverso la valvola 4 sia fatta defluire, prima di essere immessa attraverso la valvola 4 stessa, in uno scambiatore 3 analogamente a quanto riportato in fig. 1 , potendo in questo caso trarre completo vantaggio sia da trasferimento diretto sia indiretto nel caso in cui si opti per la soluzione con eiettore fisso e con regolazione fine dell’alta pressione gestita dalla valvola 4.

Claims (8)

  1. RIVENDICAZIONI 1) Circuito frigorifero multievaporatore con refrigerante anidride carbonica comprendente almeno un ricevitore di liquido in bassa pressione (8), un compressore (1 ), uno scambiatore condensatore / gas cooler (2), una prima valvola di laminazione (4), un separatore li qui do/ vapore (5) dotato di una valvola di limitazione della pressione (9) e dal quale separatore (5) il refrigerante liquido alimenta con rapporto di circolazione RC preferibilmente maggiore di 1,0 gli evaporatori (7) tramite un secondo dispositivo di laminazione (6), essendo tale circuito frigorifero caratterizzato da uno scambiatore (3) nel cui ramo primario circola del liquido a bassa pressione e bassa temperatura prelevato dal ricevitore (8) e nel cui ramo secondario circola il fluido uscente dallo scambiatore di alta pressione (2) che viene così raffreddato prima dell’ immissione nella valvola dì laminazione (4) al fine di ridurre il titolo del fluido all’ingresso del separatore (5) potendo cosi trasferire indirettamente la portata di refrigerante non evaporata dal ricevitore di bassa pressione (8) al separatore liquido/vapore (5) dal quale può essere ricircolata negli evaporatori (7).
  2. 2) Circuito frigorifero multievaporatore con refrigerante anidride carbonica comprendente almeno un ricevitore di liquido in bassa pressione (8), un compressore (1), uno scambiatore 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 dal quale separatore (5) il refrigerante liquido alimenta con rapporto di circolazione RC preferibilmente maggiore di 1,0 gli evaporatori (7) tramite un secondo dispositivo di laminazione (6), essendo tale circuito frigorifero caratterizzato da uno scambiatore (3) nel cui ramo primario circola del liquido a bassa pressione e bassa temperatura prelevato dal ricevitore (8) scambiando calore con il fluido bifase a media pressione uscente dalla valvola di laminazione (4) e circolante nel ramo secondario permettendo la condensazione totale o parziale della fase vapore in modo da ridurre il titolo di vapore prima dell’ immissione nel separatore (5) potendo così trasferire indirettamente la portata dì refrigerante non evaporata dal ricevitore di bassa pressione (8) al separatore liquido/vapore (5) dal quale può essere ricircolata negli evaporatori (7).
  3. 3) Circuito frigorìfero multievaporatore con refrigerante anidride carbonica comprendente almeno un ricevitore di liquido in bassa pressione (8), un compressore (1 ), uno scambiatore 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 dal quale separatore (5) il refrigerante liquido alimenta con rapporto di circolazione RC preferibilmente maggiore di 1 ,0 gli evaporatori (7) tramite un secondo dispositivo dì laminazione (6), essendo tale circuito frigorifero caratterizzato da uno scambiatore (3), installato a livello geodetico superiore al livello del liquido nel separatore (5), ne! cui ramo primario circola del liquido a bassa pressione e bassa temperatura prelevato dal ricevitore (8) scambiando calore con il vapore saturo proveniente dalla parte superiore del separatore (5) circolante nel ramo secondario di detto scambiatore (3) ed essendo il fluido nel ramo secondario fatto circolare per gravità e condensato parzialmente o completamente ri ducendo in tal modo la frazione di vapore contenuta nel separatore (5) potendo cosi trasferire indirettamente la portata di refrigerante non evaporata dal ricevitore di bassa pressione (8) al separatore liquido/vapore (5) dal quale può essere ricircolata negli evaporatori (7).
  4. 4) Circuito frigorifero multievaporatore con refrigerante anidride carbonica comprendente almeno un ricevitore di liquido in bassa pressione (8), un compressore (1), uno scambiatore 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 dal quale separatore (5) il refrigerante liquido alimenta con rapporto dì circolazione RC preferibilmente maggiore di 1 ,0 gli evaporatori (7) tramite un secondo dispositivo di laminazione (6), essendo tale circuito frigorifero caratterizzato da un eiettore (14) installato sul tratto di tubazione che collega il condensatore/gas cooler (2) con il separatore (5), eventualmente montato in parallelo alla valvola (4), e da uno scambiatore (3) nel cui ramo primario circola del liquido a bassa pressione e bassa temperatura proveniente dal ricevitore (8) scambiando calore con il vapore saturo prelevato dalla parte superiore del separatore (5) circolante nel ramo secondario di detto scambiatore (3) ed essendo tale portata fluida nel ramo secondario aspirata tramite la porta (15) delPeiettore (14) dopo essere stala condensata parzialmente o completamente aumentando in tal modo il contenuto di liquido nel separatore (5) al fine di trasferire indirettamente la portata di refrigerante non evaporata dal ricevitore di bassa pressione (8) al separatore liquido/ vapore (5) dal quale può essere ricircolata negli evaporatori (7).
  5. 5) Circuito frigorìfero multievaporatore con refrigerante anidride carbonica comprendente almeno un ricevitore di liquido in bassa pressione (8), un compressore (1), uno scambiatore 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 dal quale separatore (5) il refrigerante liquido alimenta con rapporto di circolazione RC preferibilmente maggiore di 1,0 gli evaporatori (7) tramite un secondo dispositivo di laminazione (6), essendo tale circuito frigorifero caratterizzato da un eiettore (14) installato sul tratto di tubazione che collega il condensatore/gas cooler (2) con il separatore (5), essendo detto eiettore (14) eventualmente montato in parallelo alla valvola (4), e nel quale circuito frigorifero la portata di refrigerante non evaporata viene trasferita dal ricevitore (8) per aspirazione diretta di liquido tramite la porta (15) dell’eiettore (14). al separatore (5) dal quale può essere ricircolata negli evaporatori (7).
  6. 6) Circuito frigorifero multievaporatore con refrigerante anidride carbonica comprendente almeno un ricevitore di liquido in bassa pressione (8), un compressore (1), uno scambiatore 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 dal quale separatore (5) il refrigerante liquido alimenta con rapporto di circolazione RC preferibilmente maggiore di 1,0 gli evaporatori (7) tramite un secondo dispositivo di laminazione (6), essendo tale circuito frigorifero caratterizzato da un eiettore (14) montato in parallelo alla valvola (4) di regolazione della pressione e da uno scambiatore (3) nel cui ramo primario circola del liquido a bassa pressione e bassa temperatura proveniente dal ricevitore (8) e nel cui ramo secondario circola la frazione di portata di fluido uscente dallo scambiatore di alta pressione (2) e fluente nel ramo in cui à ̈ installata la valvola di regolazione della pressione (4) posta in parallelo all’eiettore (14) potendo detta valvola (4) essere installata a monte o a valle di detto scambiatore (3) ed essendo detta portata fluente attraverso la valvola (4) sottoposta a sottrazione di calore sensibile o latente al fine di ridurre il titolo del fluido aH’ingresso del separatore (5) potendo così trasferire indirettamente una frazione della portata di refrigerante non evaporata dal ricevitore di bassa pressione (8) al separatore liquido/vapore (5) ed essendo contemporaneamente possibile il trasferimento diretto della rimanente frazione di liquido dal ricevitore (8) per aspirazione tramite la porta (15) dell’eiettore (14) al separatore (5), potendo infine ricircolare detta portata negli evaporatori (7).
  7. 7) Circuito frigorifero di cui alle rivendicazioni 1), 2) , 3) nel quale sia presente anche la modalità di trasferimento diretta di carica liquida dal ricevitore (8) al separatore (5) così come descritta nella rivendicazione 5), ovvero il circuito frigorifero includa sia una delle modalità di trasferimento indiretto di carica descritte nelle rivendicazioni 1), 2) e 3) sia la modalità di trasferimento diretto descritta nella rivendicazione 5) essendo le relative configurazioni circuitali utilizzabili congiuntamente.
  8. 8) Impianto frigorifero che utilizzi le soluzioni circuitali di cui alle rivendicazioni da 1 ) a 7).
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