ITTV20120169A1 - Circuito refrigerante - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DI INVENZIONE INDUSTRIALE

Avente per titolo : CIRCUITO REFRIGERANTE

Premessa e stato dell’arte

In fig.l à ̈ riportato uno schema semplificato tipico di un circuito refrigerante che utilizza R744 - anidride carbonica o CO2- come fluido frigorigeno o fluido operatore o per semplicità fluido refrigerante. In detto circuito almeno un compressore l aspira il fluido frigorigeno allo stato di vapore proveniente da almeno un evaporatore 6 e lo comprime in alta pressione immettendolo in uno scambiatore di calore 2, condensatore o gas cooler, nel quale il fluido frigorigeno cede calore ad esempio all’aria esterna. A valle di detto scambiatore 2 à ̈ presente un organo di prima laminazione, consistente in una valvola regolatrice di alta pressione 3, in uscita dalla quale il fluido frigorigeno bifase, liquido e vapore, viene immesso in un serbatoio separatore liquido/vapore 4. Da detto separatore 4 il fluido frigorigeno allo stato liquido viene convogliato attraverso una o più valvole di laminazione 5 a uno o più evaporatori 6, mentre la frazione di fluido frigorigeno allo stato di vapore, il cosiddetto vapore di flash, viene sottoposta a una espansione fino alla pressione inferiore del ciclo, al fine di mantenere la pressione in detto separatore 4 al di sotto di un valore massimo desiderato. Una valvola 13 regolatrice di pressione a monte viene inclusa a tale scopo nel circuito e configurata per regolare la pressione nel separatore 4. La sezione di ingresso di detta valvola 13 à ̈ collegata alla parte superiore del separatore 4, e quindi alla zona in cui à ̈ presente vapore, mentre la sezione di uscita à ̈ collegata al ramo di bassa pressione del circuito, ad esempio al condotto di aspirazione del compressore 1.

Per ridurre il consumo di energia, anziché regolare la pressione nel separatore 4 mediante la valvola 13 ed espandendo il vapore di flash sul lato di bassa pressione, sarebbe preferibile comprimere direttamente detto vapore di flash con almeno un compressore ausiliario 7 come riportato a tratteggio in fig.l. Oggi questo à ̈ realizzato a costo di una complicazione importante nell’ impianto. Si pone infatti il problema della distribuzione dell’olio a compressori nei quali l’olio lubrificante à ̈ contenuto nel fondo di una camera del compressore, detta in gergo carter, e precisamente nella camera in cui sono alloggiati l’albero motore e il biellismo dei pistoni, essendo detta camera mantenuta in bassa pressione ovvero alla pressione di aspirazione del compressore e quindi alla bassa pressione del circuito frigorifero. Poiché il o i compressore/i principale/] 1 e il o i compressore/i ausiliario/] 7 aspirano a pressione diversa, à ̈ necessario che l’olio da immettere nelle relative camere in cui à ̈ depositato l’olio lubrificante, allo scopo di ripristinare il livello di questo a seguito di un certo inevitabile trasporto di olio insieme alla portata di fluido compresso, sia mantenuto a una pressione maggiore o uguale alla superiore tra le due diverse pressioni di aspirazione. Lo stato dell’arte prevede la separazione dell’olio in alta pressione. Supponendo di usare questo modo di separazione dell’olio sono possibili due alternative, una delle quali essendo l’immissione dell’olio nei compressori direttamente dal separatore di olio in alta pressione, non rappresentato in figura 1. Questa prima soluzione presenta Π problema delPeievata frazione di fluido frigorigeno disciolto nell’olio separato in alta pressione, e quindi una elevata formazione di schiuma non appena la miscela di olio e fluido frigorigeno sia immessa nel carter dei compressori e sia sottoposta quindi a una rapida depressurizzazione, fenomeno che riduce l'efficacia della lubrificazione. La soluzione alternativa à ̈ costituita dai immissione in un serbatoio intermedio, destinato ad accumulare Polio, della miscela di olio e fluido frigorigeno separata nel separatore di olio in alta pressione. In detto serbatoio di accumulo dell’olio viene quindi effettuato il degasaggio, ovvero la riduzione di pressione per liberare parte del fluido frigorigeno disciolto nell’olio, e da detto serbatoio di accumulo l’olio, o meglio la miscela olio/fluido frigorigeno con un minore contenuto di fluido frigorigeno, viene poi inviato ai compressori. La riduzione di pressione deve essere effettuata al limite fino a una pressione uguale o superiore alla più alta tra le due pressioni di aspirazione. Questa soluzione riduce il fenomeno di formazione di schiuma, ma risulta non completamente soddisfacente, anzitutto perché la separazione dell’olio in alta pressione non à ̈ mai completa e di conseguenza una portata non trascurabile di olio fluisce agli evaporatori riducendo lo scambio termico, ma anche perché con entrambi i metodi sopra descritti si verifica un bypass di fluido frigorigeno in alta pressione verso l’aspirazione ad ogni apertura della valvola di scarico dell’olio posta nel separatore deH’olio di alta pressione, rappresentando tale fenomeno una perdita energetica.

Inoltre l’installazione di un recipiente in pressione, quale il separatore dell’olio da installare sul ramo alla pressione superiore del ciclo, rappresenta una soluzione costosa e pone rilevanti problemi di sicurezza, dato che la pressione a cui à ̈ destinato a operare il separatore delPolio in alta pressione può essere anche di 100 bar nel caso di sistemi frigoriferi con CO2

La presente invenzione presenta una semplice e innovativa modalità per risolvere il problema esposto e realizzare un circuito refrigerante che permetta il funzionamento secondo un ciclo con economizzatore.

Descrizione dei disegni

In Tav.l sono riportate le seguenti:

Fig.l . Schema di un sistema frigorifero normale di riferimento - Fig.2 . Schema di un sistema frigorifero come da rivendicazione In Tav.2 sono riportate le seguenti:

Fig.3. Diagramma tipico di solubilità olio PAG RFL68 / R744 Fig.4. Schema di un sistema frigorifero con eiettore Nomenclatura e abbreviazioni

- 1 : compressore principale

2: scambiatore di calore condensatore / gas cooler

3: valvola regolatrice alta pressione / valvola laminazione 1° stadio 4: serbatoio separatore liquido/vapore

5: valvola di laminazione e alimentazione evaporatore

6: evaporatore

7: compressore ausiliario

8: tubazione convogliamento vapore di flash

9: scambiatore di calore rigenerativo a 2 circuiti, 9a e 9b

10: serbatoio accumulo olio e collettore vapore di flash

- 11 : tubazione prelievo vapore dì flash da serbatoio 10

12: valvola spillamento miscela ricca di olio, ad esempio ma non esclusivamente di tipo a solenoide ON/OFF

13 : valvola regolatrice pressione a monte

14: valvola alimentazione olio compressore/i principale/i 1, ad esempio ma non esclusivamente di tipo a solenoide ON/OFF

15: valvola alimentazione olio compressore/i ausiliario/i 7, ad esempio ma non esclusivamente di tipo a solenoide ON/OFF

16: eiettore

17: porta di aspirazione dell’eiettore 16

Descrizione dell invenzione

Si consideri, come da fig.2, almeno un compressore 1 collegato sul lato di aspirazione al condotto di uscita di almeno un evaporatore 6, e quindi sia detto compressore 1 configurato per aspirare il fluido frigorigeno sotto forma di vapore alla pressione inferiore del ciclo frigorifero, e sia inoltre detto compressore 1 collegato sul lato di mandata a uno scambiatore di calore di alta pressione 2. E’ presente inoltre a valle di detto scambiatore di calore 2 una prima valvola di laminazione regolatrice di alta pressione 3 configurata per controllare l’alta pressione del ciclo secondo una tecnica nota, in modo, ad esempio ma non esclusivamente, da massimizzare il rapporto tra la quantità di calore ceduta dal sistema frigorifero al serbatoio caldo, ad esempio l’aria esterna, o in modo equivalente la quantità di calore sottratta alla sorgente fredda, e il consumo di energia per la compressione del fluido frigorigeno. Detta valvola regolatrice 3 può essere regolata, secondo tecnica nota, in modo da mantenere l’alta pressione del ciclo a un valore ottimale e dipendente dalle condizioni operative. Detta valvola regolatrice 3 à ̈ inoltre collegata tra l’uscita di detto scambiatore di calore 2 e un serbatoio separatore liquido/vapore 4 e configurata per immettere fluido frigorigeno bifase, liquido e vapore, in detto separatore liquido/vapore 4 posto a valle.

Sia l’olio lubrificante utilizzato per il o i compressore/i di tipo non miscibile o parzialmente miscibile nel fluido frigorigeno alio stato liquido. Ci si riferisce ad esempio ma non esclusivamente alla coppia fluido frigorigeno/lubrificante R744/PAG (PoliAlchilenGIicole). Detta coppia refrigerante/lubrificante presenta una curva di solubilità simile a quella riportata in fig.3 e detto olio à ̈ definito quindi di tipo parzialmente miscibile con il fluido frigorigeno CO2o R744. In fìg.3, che riporta in ascissa la massa percentuale di fluido frigorigeno liquido CO2disciolta nella miscela fluido ffigorigeno/olio PAG e in ordinata la temperatura, in gradi Kelvin, della miscela stessa, la zona tratteggiata rappresenta la zona di immiscibilità. Per una coppia fluido frigorigeno/lubrificante definita di tipo immiscibile o parzialmente miscibile si ha la separazione di due fasi, una delle quali ricca di fluido frigorìgeno e una ricca di olio. Si vede ad esempio che alla temperatura di 0°C (273K) la percentuale massima di CO2disciolta nella fase ricca di olio à ̈ di circa il 32%, e quindi a tale condizione la percentuale di olio corrisponde al 68%. La frazione di CO2in eccesso si separa in una fase ricca di fluido frigorigeno o al limite come fluido puro. Detto olio PAG ha inoltre una densità di circa 1020 kg/m<3>alla temperatura di 0°C e crescente con il diminuire della temperatura, ad esempio a -10°C la densità à ̈ dì circa 1050 kg/m , mentre il refrigerante R744 liquido ha una densità, pure sempre crescente con il diminuire della temperatura, di circa 925 kg/m<3>a 0°C e di circa 980 kg/m<3>a -10°C. J gradienti di densità in funzione della temperatura sono quindi di circa - 3 kg/{m<3>* K) per Polio e di -5,5 kg/(m<3>* K) per il fluido frigorigeno CO2allo stato di liquido saturo. La temperatura a cui la densità del fluido frigorigeno CCL liquido supera quella dell’olio à ̈ di circa -30°C.

SÃŒ avrà quindi nel serbatoio separatore liquido/vapore 4 una separazione tra la fase fluido frigorigeno/olio ricca di olio e la fase ricca di fluido frigorigeno liquido, al limite praticamente puro come nell’esempio, a causa della diversa densità in un certo intervallo di pressione/temperatura. Nel caso di esempio tale intervallo, compreso tra -30°C e 30<Q>C, comprende ampiamente la zona operativa del sistema frigorifero caratterizzato dal circuito oggetto del presente trovato, potendo la temperatura di saturazione nel serbatoio separatore liquido/vapore 4 variare, nelle applicazioni pratiche, ad esempio tra -5 e 10°C. La fase ricca di olio si depositerà nel basso di detto serbatoio separatore liquido/vapore 4 e la separazione delle due fasi potrà essere favorita da opportuna configurazione dello stesso serbatoio 4, ad esempio ma non esclusivamente mediante posizionamento degli ingressi e uscite di refrigerante e olio ad opportuni livelli, e quindi ad esempio ma non esclusivamente con il prelievo dell’olio dalla parte inferiore del separatore e il prelievo del refrigerante a livello superiore.

Sempre con riferimento alla fig.2 il serbatoio separatore liquido/vapore 4 à ̈ configurato per l’alimentazione del o degli evaporatori con fluido frigorigeno liquido, prelevato da detto serbatoio separatore liquido/vapore 4 a un livello sufficientemente alto in modo da evitare di trasportare la fase ricca di olio verso gli evaporatori, e una tubazione 8 collega la parte superiore del serbatoio 4 con un serbatoio di accumulo olio 10 configurato per separare l’olio dal vapore di refrigerante, mentre una tubazione 11 collega la parte superiore di detto serbatoio di accumulo olio 10 con il ramo di bassa pressione del circuito frigorifero tramite una valvola regolatrice dì pressione a monte 13. Detta tubazione 8 mette in comunicazione la parte superiore del serbatoio separatore liquido/vapore 4, e quindi il vapore contenuto in detta zona, con il serbatoio di accumulo olio 10 essendo interposto tra detto separatore liquido/vapore 4 e detto serbatoio di accumulo olio 10 uno scambiatore di calore rigenerativo 9. Detto scambiatore à ̈ caratterizzato da 2 circuiti, qui definiti 9a - primario - e 9b -secondario -, tra loro in contatto termico e nei quali potranno defluire fluidi a pressione diversa al fine di scambiare calore. La tubazione 8 sarà dotata inoltre di una connessione, a livello geodetico del fondo del serbatoio separatore liquido/vapore 4, in cui verrà a immessa la miscela ricca di olio il cui deflusso avverrà per gravità e sarà controllato, ad esempio ma non esclusivamente, a tempo, tramite una valvola 12, ad esempio ma non esclusivamente ad azionamento elettrico ON/OFF, collegata a un attacco posto sul fondo del serbatoio 4, ovvero nella zona in cui la miscela ricca di olio sì sarà depositata. Il vapore di flash proveniente dalla parte superiore del serbatoio separatore liquido/vapore 4 e miscelato con una certa portata di olio e refrigerante proveniente dal fondo di detto serbatoio separatore 4 sarà immesso tramite detta tubazione 8 nel circuito secondario, 9b, dello scambiatore di calore rigenerativo 9. II circuito primario 9a di detto scambiatore di calore 9 sarà configurato per il deflusso della portata proveniente dallo scambiatore di calore condensatore/gas cooler 2, Nello scambiatore di calore 9 la soluzione ricca di olio sarà riscaldata per effetto dello scambio termico con il fluido caldo in alta pressione proveniente dal condensatore/gas cooler 2, si verificherà una distillazione di fluido frigorigeno e infine l’olio si separerà dal vapore per gravità nel serbatoio di accumulo olio 10. La sommità di detto serbatoio di accumulo olio 10 sarà collegata tramite detta tubazione 11 con la sezione di ingresso di una valvola regolatrice di pressione a monte 13, configurata per mantenere a un valore desiderato la pressione nei separatore liquido/vapore 4, e quindi nel serbatoio di accumulo olio 10, essendo la sezione di uscita di detta valvola 13 collegata al ramo di aspirazione del compressore 1.

Per migliorare l’efficienza del sistema detta tubazione 1 1 potrà essere collegata con la porta di aspirazione di almeno un compressore ausiliario 7, configurato per ricomprimere il vapore di flash evitandone l’espansione in bassa pressione. Il serbatoio 10 potrà facilmente essere posto a livello geodetico H superiore a quello del compressore 7, e non vi sarà quindi difficoltà a far defluire folio per gravità verso detto compressore 7 senza ulteriori accorgimenti se non tramite l’azionamento di una valvola 15 in base ad esempio al livello di olio presente nel carter del compressore 7 stesso.

Analogamente da detto serbatoio di accumulo 10 l’olio potrà alimentare anche il compressore o i compressori principale/i 1 tramite l’azionamento di una valvola 14 in base ad esempio al livello di olio presente nel carter del compressore 1, essendo detto serbatoio 10 a pressione superiore a quella esistente nel carter di detto compressore 1.

In tale configurazione circuitale una valvola regolatrice di pressione a monte 13 come precedentemente descritto, anche se non strettamente necessaria, potrà contribuire a una regolazione precisa della pressione nel serbatoio separatore liquido/refrigerante 4 e quindi nel serbatoio di accumulo olio 10.

Il circuito potrà inoltre comprendere, quando sia presente almeno un compressore ausiliario 7 e al fine di migliorare ulteriormente l’efficienza energetica del sistema, almeno un eiettore 16 collegato in parallelo o in alternativa alla valvola di regolazione dell’alta pressione 3. Un esempio di tale configurazione à ̈ riportata in fig. 4. In tal caso il lato aspirante del compressore , o in generale il lato di bassa pressione del circuito, sarà collegato anche alla porta secondaria di aspirazione 17 dell’eiettore 16, che sarà configurato per aspirare una parte del vapore uscente dall’evaporatore 6 e sottoporlo a una prima compressione, senza necessità di fornire ulteriore energia esterna al sistema, fino alla pressione intermedia esistente in detto separatore liquido/vapore 4 dal quale potrà quindi essere aspirato da almeno un compressore ausiliario 7 insieme al vapore di flash.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1 ) Circuito frigorifero comprendente almeno un compressore principale (1 ) configurato per l’aspirazione del vapore proveniente da almeno un evaporatore (6), uno scambiatore di alta pressione o condensatore (2), una prima valvola di laminazione (3), un separatore liquido/vapore (4) e dal quale separatore (4) il fluido refrigerante liquido alimenta Falmeno un evaporatore (6) tramite un secondo dispositivo di laminazione (5), essendo Folio lubrificante utilizzato dal o dai compressore/i( 1 ) del tipo non miscibile o parzialmente miscibile con il refrigerante e avente densità superiore a quella del refrigerante nelle condizioni esistenti nel separatore liquido/vapore (4) , essendo tale olio ad esempio ma non esclusivamente di tipo PAG nel caso in cui il refrigerante sia anidride carbonica, ed essendo tale circuito caratterizzato da uno scambiatore di calore rigenerativo (9) a due circuiti, configurato per la circolazione nel circuito definito primario (9a) del fluido frigorigeno uscente dal condensatore (2) ed essendo configurato contemporaneamente per la circolazione del vapore di flash, prelevato dalla parte superiore del separatore liquido/vapore (4), nel circuito secondario (9b), essendo compresa nel circuito una tubazione (8) collegante la sommità del separatore (4) all’ingresso del circuito secondario (9b) dì detto scambiatore (9), ed essendo tale tubazione (8) configurata per Fimmissione in un punto intermedio di una certa portata di olio o di miscela ricca di olio spillata, ad esempio ma non esclusivamente attraverso una valvola (12), dal fondo di detto separatore liquido/vapore (4), essendo quindi detto scambiatore (9) utilizzato per la distillazione dell’olio nel circuito secondario (9b), ed essendo la portata di vapore surriscaldato e olio uscente da detto circuito secondario (9b) dello scambiatore (9) immessa in un serbatoio di accumulo olio (10) alla sommità del quale sia collegata una tubazione (1 1) configurata per convogliare il vapore contenuto in detto serbatoio di accumulo olio (10) all’ingresso di una valvola regolatrice a monte (13) ed essendo Polio necessario per il ripristino del livello di lubrificante nel compressore ( 1 ) prelevato dalla parte inferiore di detto serbatoio di accumulo olio (10), e l’alimentazione dell’olio a detto compressore (1) sia controllato ad esempio ma non esclusivamente tramite una valvola (14) 2) Circuito frigorifero di cui alla rivendicazione 1) comprendente almeno un compressore ausiliario (7) la cui aspirazione sia collegata mediante una tubazione ( 11) alla parte superiore del serbatoio di accumulo olio (10) posto a livello geodetico H superiore a quello di detto compressore (7) e sia presente un collegamento per l’alimentazione dell’olio lubrificante a detto compressore (7) e l’olio sia prelevato inferiore dal fondo del serbatoio di accumulo (10) e detto circuito frigorifero sia configurato per alimentare con olio lubrificante il compressore (7) tramite una valvola (15) 3) Circuito frigorifero di cui alle rivendicazioni 1) e 2) comprendente almeno un eiettore ( 16) montato in parallelo alla valvola di prima laminazione (3) o in alternativa alla stessa, la porta secondaria (17) del quale eiettore (16) sia collegata direttamente o indirettamente al tato aspirante del compressore principale ( 1 ). 4) Sistema refrigerante che utilizzi le disposizioni circuitali di cui alle rivendicazioni 1), 2) e 3) .