IT201900006560A1 - Reverse cycle steam compression thermal machine - Google Patents
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Description
Macchina termica a ciclo inverso a compressione di vapore Reverse cycle steam compression thermal machine
Ormai da molti anni in ogni branca della scienza applicata ci si sforza sempre di più di ridurre il continuo utilizzo di sorgenti energetiche esauribili, come combustibili fossili (carbone, petrolio, gas naturale, ecc.) e combustibili nucleari; aumento dell’effetto serra, diminuzione dello strato di ozono, inquinamento e acidificazione dell’atmosfera, contaminazione e acidificazione delle risorse idriche su vasta scala e impatto ambientale delle scorie radioattive sono solo alcune delle conseguenze derivanti da tale utilizzo. For many years now in every branch of applied science there has been an increasing effort to reduce the continuous use of exhaustible energy sources, such as fossil fuels (coal, oil, natural gas, etc.) and nuclear fuels; increase in the greenhouse effect, decrease in the ozone layer, pollution and acidification of the atmosphere, large-scale contamination and acidification of water resources and the environmental impact of radioactive waste are just some of the consequences resulting from this use.
In quest’ottica, lo sviluppo tecnologico della tecnica del freddo in termini di efficienza energetica e sostenibilità ambientale integrale gioca un ruolo molto importante, data l’enorme richiesta di energia elettrica di tale settore. L’International Energy Agency ha stimato infatti che nei paesi sviluppati l’energia elettrica assorbita dai supermercati per il congelamento dei prodotti alimentari rappresenti dal 3% al 5% dell’energia elettrica totale richiesta, ed in particolare il 50% di questa energia viene assorbita dagli impianti di congelamento. Oltre allo studio e all’utilizzo di refrigeranti caratterizzati da un ridotto impatto ambientale, risulta fondamentale lo studio di nuove configurazioni di impianto in grado da un lato di ridurre il consumo di energia elettrica e dall’altro di ridurre drasticamente la carica complessiva del fluido di lavoro necessario. La propensione della ricerca volge alla produzione di freddo industriale; in Italia e in tutti gli altri paesi sviluppati infatti il ramo della refrigerazione industriale e commerciale è fra i maggiori consumatori di energia elettrica. With this in mind, the technological development of the cooling technique in terms of energy efficiency and integral environmental sustainability plays a very important role, given the enormous demand for electricity in this sector. In fact, the International Energy Agency has estimated that in developed countries the electricity absorbed by supermarkets for freezing food products represents 3% to 5% of the total electricity required, and in particular 50% of this energy is absorbed. from freezing plants. In addition to the study and use of refrigerants characterized by a reduced environmental impact, the study of new system configurations capable on the one hand of reducing the consumption of electricity and on the other of drastically reducing the overall charge of the fluid is fundamental. necessary work. The propensity of research turns to the production of industrial cold; in fact, in Italy and in all the other developed countries the industrial and commercial refrigeration branch is one of the major consumers of electricity.
Molti sono i tentativi volti ad aumentare le prestazioni dei dispositivi refrigeranti. Alcuni hanno trovato ostacoli di natura tecnologica che ne hanno pregiudicato la fattibilità, altri hanno portato vantaggi in termini di aumento del rendimento complessivo di funzionamento, a discapito comunque di una maggiore complessità dell’impianto. Un esempio è costituito dagli impianti con sistemi a più stadi di frazionamento, che se da un lato sono caratterizzati da una maggiore complessità nella gestione dell’impianto, dall’altro sono caratterizzati da un principio di funzionamento semplice e versatile per molti scopi e risultano quindi essere ancora oggi la tecnologia più diffusa nelle macchine a ciclo inverso. Lo scopo della ricerca è sviluppare un sistema che sia particolarmente semplice da realizzare, energeticamente efficiente e affidabile. There are many attempts to increase the performance of refrigeration devices. Some have found obstacles of a technological nature that have jeopardized its feasibility, others have brought advantages in terms of increasing the overall performance of operation, at the expense of greater complexity of the system. An example is constituted by plants with multi-stage fractionation systems, which if on the one hand are characterized by greater complexity in the management of the plant, on the other hand they are characterized by a simple and versatile operating principle for many purposes and are therefore still today the most widespread technology in reverse cycle machines. The aim of the research is to develop a system that is particularly simple to implement, energy efficient and reliable.
Gli impianti a ciclo inverso tradizionali presentano un’inefficienza sostanziale data dall’impiego dell’organo statico di strozzamento. Esso infatti rende possibile l’espansione con entalpia iniziale pari a quella finale del fluido di lavoro in direzione di una diminuzione della pressione (e quindi della temperatura), degradando l’energia di pressione in attrito. La valvola di laminazione è cioè un dispositivo economico ma completamente dissipativo. In passato sono stati fatti tentativi per trovare una soluzione a questo problema tecnico, ma nessuna di queste soluzioni risulta essere più efficace di quella proposta secondo la presente invenzione. La novità di tale sistema consiste nell’adozione di un doppio stadio di compressione mediante uno o più frazionamenti di fluido frigorigeno a valle dello scambiatore di alta pressione, che viene espanso fino ad una pressione intermedia fra quelle di esercizio tramite valvola di espansione. La portata frazionata viene successivamente introdotta nel circuito “lato freddo” di uno scambiatore di calore ad hoc. Al circuito “lato caldo” dello scambiatore aggiuntivo viene immesso invece la restante parte di fluido di lavoro uscente dallo scambiatore di alta pressione. Grazie al gradiente termico esistente fra le due portate si favorisce il sottoraffreddamento del fluido “lato caldo” e la completa evaporazione della miscela bifasica che costituisce il “lato freddo”. Il vapore prodotto dal frazionamento è immesso quindi in un espansore, in modo da poter eventualmente recuperare una quota parte di energia da conferire al compressore. Inoltre, il sottoraffreddamento della restante parte di fluido favorisce, come noto, una migliore resa frigorifera rispetto alle soluzioni tradizionali. Globalmente si ottiene un miglioramento del coefficiente di prestazione dell’impianto, conseguentemente un risparmio energetico ed economico. Traditional reverse cycle systems have a substantial inefficiency due to the use of the static throttling organ. In fact, it makes it possible to expand with an initial enthalpy equal to the final one of the working fluid in the direction of a decrease in pressure (and therefore in temperature), degrading the pressure energy in friction. In other words, the lamination valve is an economical but completely dissipative device. In the past attempts have been made to find a solution to this technical problem, but none of these solutions is more effective than the one proposed according to the present invention. The novelty of this system consists in the adoption of a double compression stage by means of one or more fractionations of refrigerant fluid downstream of the high pressure exchanger, which is expanded up to an intermediate pressure between the operating ones by means of an expansion valve. The fractional flow is subsequently introduced into the "cold side" circuit of an ad hoc heat exchanger. On the other hand, the remaining part of the working fluid coming out of the high pressure exchanger is introduced to the "hot side" circuit of the additional exchanger. Thanks to the thermal gradient existing between the two flows, the subcooling of the “hot side” fluid is favored and the complete evaporation of the two-phase mixture which constitutes the “cold side”. The steam produced by the fractionation is then introduced into an expander, so as to be able to possibly recover a portion of the energy to be given to the compressor. Furthermore, the subcooling of the remaining part of the fluid favors, as is known, a better refrigeration yield compared to traditional solutions. Overall, an improvement in the system's coefficient of performance is achieved, resulting in energy and economic savings.
Gli impianti nei quali si realizza un trasferimento di energia termica da una sorgente a temperatura inferiore ad una a temperatura superiore sono detti impianti a ciclo inverso, frigoriferi o pompe di calore, a seconda che la finalità sia la produzione di energia frigorifera o termica rispettivamente. Plants in which thermal energy is transferred from a source at a lower temperature to one at a higher temperature are called reverse cycle plants, refrigerators or heat pumps, depending on whether the purpose is the production of cooling or thermal energy respectively.
Il tipico layout di tali macchine termiche prevede l’utilizzo di un compressore (1), due scambiatori di calore (2, 4) e un’unità di espansione (3), ad esempio un tubo a capillare oppure una valvola di laminazione. I fluidi di lavoro devono avere caratteristiche fisicochimiche tali da renderli idonei a tale applicazione quali alta densità, alto calore latente di vaporizzazione, stabilità chimica, non pericoloso e non tossico per l’uomo. The typical layout of these thermal machines involves the use of a compressor (1), two heat exchangers (2, 4) and an expansion unit (3), for example a capillary tube or a lamination valve. The working fluids must have physicochemical characteristics such as to make them suitable for this application such as high density, high latent heat of vaporization, chemical stability, non-hazardous and non-toxic for humans.
Le Figure 1 e 2 illustrano, rispettivamente, il tipico schema di impianto di una macchina frigorifera a compressore di vapore ed il corrispondente diagramma p-h (pressione-entalpia). Figures 1 and 2 illustrate, respectively, the typical system diagram of a steam compressor refrigeration unit and the corresponding p-h (pressure-enthalpy) diagram.
Il compressore (1) incrementa la pressione del vapore ad un livello tale che la corrispondente temperatura di saturazione sia maggiore della temperatura ambiente in cui lavora lo scambiatore di alta pressione (2), ad esempio un condensatore. Allo stesso modo la pressione di esercizio dello scambiatore di bassa pressione (4) deve essere tale per cui la corrispondente temperatura di saturazione sia minore della temperatura ambiente in cui lavora lo scambiatore stesso (4). Il vapore compresso viene immesso nello scambiatore di alta pressione (2), il quale scambiando potenza termica con l’ambiente, consente il raffreddamento del fluido, che si porta quindi da vapore surriscaldato a liquido saturo o sottoraffreddato. Successivamente il liquido è inviato all'organo di espansione (3) per diminuirne la pressione al livello prestabilito. Il fluido in uscita è finalmente immesso nello scambiatore di bassa pressione (4) il quale, ricevendo potenza termica dall’ambiente, consente la completa evaporazione della miscela bifasica fino a vapore saturo o surriscaldato. Da qui il ciclo si ripete nuovamente per come appena spiegato. The compressor (1) increases the vapor pressure to a level such that the corresponding saturation temperature is higher than the ambient temperature in which the high pressure exchanger (2), for example a condenser, works. Similarly, the operating pressure of the low pressure exchanger (4) must be such that the corresponding saturation temperature is lower than the ambient temperature in which the exchanger itself works (4). The compressed vapor is introduced into the high pressure exchanger (2), which by exchanging thermal power with the environment, allows the cooling of the fluid, which then moves from superheated steam to saturated or subcooled liquid. Subsequently, the liquid is sent to the expansion member (3) to reduce its pressure to the predetermined level. The outgoing fluid is finally introduced into the low pressure exchanger (4) which, receiving thermal power from the environment, allows the complete evaporation of the biphasic mixture up to saturated or superheated steam. From here the cycle is repeated again as just explained.
In tabella 1 vengono riportati alcuni dati di funzionamento noti di un impianto di refrigerazione tradizionale per il congelamento rapido di prodotti alimentari. In tabella 3 vengono riportati i parametri termodinamici calcolati con riferimento agli stati termodinamici riportati in tabella 2. Table 1 shows some known operating data of a traditional refrigeration plant for the rapid freezing of food products. Table 3 shows the thermodynamic parameters calculated with reference to the thermodynamic states reported in table 2.
TABELLA 1 TABLE 1
TABELLA 2 TABLE 2
TABELLA 3 TABLE 3
Il presente elaborato vuole presentare un’innovativa configurazione impiantistica per macchine termiche a ciclo inverso a compressione di vapore per applicazioni industriali e impianti di condizionamento, in aggiunta ad una nuova soluzione pratica per la regolazione del circuito di refrigerazione. This paper aims to present an innovative plant configuration for reverse cycle thermal machines with vapor compression for industrial applications and air conditioning systems, in addition to a new practical solution for regulating the refrigeration circuit.
Le caratteristiche e i vantaggi dell’invenzione risulteranno evidenti alla luce della descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita ma non esclusive di altre forme, illustrata a titolo di esempio non limitativo negli uniti disegni, nei quali per tale scopo il dispositivo/sistema in accordo alla sua forma di realizzazione della presente invenzione consiste delle seguenti parti rappresentati/descritti in tavola 3. The features and advantages of the invention will become evident in the light of the detailed description of a preferred but not exclusive embodiment of other embodiments, illustrated by way of non-limiting example in the accompanying drawings, in which for this purpose the device / system in accordance with Its embodiment of the present invention consists of the following parts represented / described in table 3.
Il vantaggio di tale configurazione risiede nella possibilità di sfruttare parte dell’entalpia del fluido in uscita da uno scambiatore di alta pressione. La semplicità del principio di funzionamento è tale per cui possono supporsi due livelli di frazionamenti e scambi interni di potenza termica, soprattutto in casi di pressioni di esercizio più ampi. Le figure 3 e 4 mostrano rispettivamente la configurazione proposta preferita ed il corrispondente diagramma p-h (pressione-entalpia). The advantage of this configuration lies in the possibility of exploiting part of the enthalpy of the fluid leaving a high pressure exchanger. The simplicity of the operating principle is such that two levels of internal thermal power subdivisions and exchanges can be assumed, especially in cases of larger operating pressures. Figures 3 and 4 respectively show the preferred proposed configuration and the corresponding p-h (pressure-enthalpy) diagram.
A tal proposito viene riportato un nuovo schema di impianto per una macchina termica a ciclo inverso a compressione di vapore con due frazionamenti/spillamenti, in cui non si fa altro che ripetere in un loop interno apposito la stessa pratica descritta nell’arte nota più vicina, caratterizzato dal fatto di comprendere: In this regard, a new system diagram is shown for a reverse cycle steam compression thermal machine with two fractions / tappings, in which one simply repeats in a specific internal loop the same practice described in the closest known art. , characterized by the fact of including:
- uno scambiatore di alta pressione (3) a valle di e in comunicazione di fluido con un compressore principale (2); - a high pressure exchanger (3) downstream of and in fluid communication with a main compressor (2);
- un espansore (8) a valle dello scambiatore di alta pressione (3); - un evaporatore (9) a monte di un compressore (1) ed a valle di e in comunicazione di fluido con detto espansore (8); - an expander (8) downstream of the high pressure exchanger (3); - an evaporator (9) upstream of a compressor (1) and downstream of and in fluid communication with said expander (8);
- un espansore (10) in comunicazione di fluido tra l’evaporatore (9) e il compressore principale (2); - an expander (10) in fluid communication between the evaporator (9) and the main compressor (2);
- uno scambiatore di calore (5) avente un ramo caldo (5c) del fluido non frazionato (1-s1) collegato a valle di detto scambiatore di alta pressione (3) e prima della valvola di laminazione (6), ed - a heat exchanger (5) having a hot branch (5c) of the unfractionated fluid (1-s1) connected downstream of said high pressure exchanger (3) and before the lamination valve (6), and
un ramo freddo (5f) del fluido frazionato (s1) collegato a valle ad una valvola di laminazione (4) e a monte di detto espansore (10); - uno scambiatore di calore (7) avente un ramo caldo (7c) del fluido non frazionato (1-s1-s2) collegato a valle di detto scambiatore (5) e prima dell’espansore (8), ed a cold branch (5f) of the fractionated fluid (s1) connected downstream to a rolling valve (4) and upstream of said expander (10); - a heat exchanger (7) having a hot branch (7c) of the unfractionated fluid (1-s1-s2) connected downstream of said exchanger (5) and before the expander (8), and
un ramo freddo (7f) del fluido frazionato (s2) collegato a valle ad una valvola di laminazione (6) e a monte del compressore principale (2). a cold branch (7f) of the fractionated fluid (s2) connected downstream to a lamination valve (6) and upstream of the main compressor (2).
Descrizione delle singole parti che costituiscono l’oggetto della presente invenzione: Description of the individual parts that constitute the object of this invention:
l’intera portata di fluido refrigerante viene compressa dal compressore principale (2) e successivamente raffreddata tramite lo scambiatore di alta pressione (3). La portata di fluido frazionata (s1) ed espansa mediante la valvola di laminazione (4), costituisce il lato freddo (5f) dello scambiatore di calore (5), ad esempio di tipo a piastre o fascio tubiero comunemente utilizzati in campo frigorifero, mentre il lato caldo (5c) è rappresentato dalla portata di fluido non frazionata (1-s1). La portata rimanente non frazionata (1-s1) viene sottoraffreddata in (5) grazie allo scambio termico interno con il primo frazionamento (s1) allo scambiatore di alta pressione (3), la cui portata è calibrata in modo da consentire la completa evaporazione. the entire flow of refrigerant fluid is compressed by the main compressor (2) and subsequently cooled by the high pressure exchanger (3). The flow of fluid fractionated (s1) and expanded by means of the lamination valve (4), constitutes the cold side (5f) of the heat exchanger (5), for example of the plate or tube bundle type commonly used in the refrigeration field, while the hot side (5c) is represented by the unfractionated fluid flow rate (1-s1). The remaining non-fractionated flow rate (1-s1) is subcooled in (5) thanks to the internal heat exchange with the first fractionation (s1) at the high pressure exchanger (3), the flow rate of which is calibrated in such a way as to allow complete evaporation.
La portata di fluido frazionata (s1) in uscita dallo scambiatore (5) allo stato di vapore a basso titolo, evapora completamente portandosi allo stato di vapore surriscaldato; viene quindi fatta espandere mediante l’espansore (10), fino ad un livello intermedio di pressione, cioè alla stessa pressione in uscita dal compressore (1), che diversamente dal documento brevettuale n. WO/2008/054380, risulta essere in comunicazione di fluido tra detto scambiatore (5) e detto compressore principale (2). The fractional fluid flow (s1) leaving the exchanger (5) in the state of low titre vapor, evaporates completely, bringing it to the state of superheated vapor; it is then made to expand by means of the expander (10), up to an intermediate pressure level, that is, at the same pressure at the output of the compressor (1), which unlike the patent document no. WO / 2008/054380, appears to be in fluid communication between said exchanger (5) and said main compressor (2).
Il grado di frazionamento è tarato opportunamente in modo da garantire la completa evaporazione della portata frazionata (s1), un certo pinch allo scambiatore di calore (5) e che contemporaneamente il fluido in uscita dall’espansore (10) sia al minimo vapore saturo. The degree of fractionation is suitably calibrated in order to ensure complete evaporation of the fractionated flow rate (s1), a certain pinch to the heat exchanger (5) and that at the same time the fluid leaving the expander (10) is at a minimum saturated vapor.
Analogamente a quanto fatto precedentemente, una parte del fluido (s2) della portata (1-s1), diversamente dal brevetto n. WO/2008/142714, viene frazionata ed espansa tramite valvola (6) fino al valore della pressione intermedia corrispondente alla mandata del compressore (1) ed inviata al lato freddo (7f) dello scambiatore (7), ad esempio di tipo a piastre o fascio tubiero comunemente utilizzati in campo frigorifero. Il lato caldo (7c) di quest’ultimo è costituito dalla restante portata di fluido (1-s1-s2). Similarly to what was done previously, a part of the fluid (s2) of the flow rate (1-s1), unlike the patent n. WO / 2008/142714, is fractionated and expanded by means of a valve (6) up to the value of the intermediate pressure corresponding to the delivery of the compressor (1) and sent to the cold side (7f) of the exchanger (7), for example of the plate type or tube bundle commonly used in the refrigeration field. The hot side (7c) of the latter consists of the remaining flow rate of fluid (1-s1-s2).
La portata rimanente non frazionata (1-s1-s2), in aggiunta ai benefici/vantaggi ottenuti/rivendicati nel brevetto depositato n. WO/2017/179083, viene sottoraffreddata ulteriormente in (7) grazie allo scambio termico interno con il secondo frazionamento (s2), la cui portata è calibrata in modo da consentire la completa evaporazione prima di entrare nel secondo stadio di compressione (2). L’uscita del ramo caldo (7c) del secondo scambiatore di calore (7) è collegata tramite un condotto all’espansore (8). In questo modo, la portata restante di fluido (al netto quindi dei due frazionamenti), viene fatta espandere mediante/tramite detto espansore (8) fino alla pressione di evaporazione. The remaining unfractionated flow rate (1-s1-s2), in addition to the benefits / advantages obtained / claimed in the patent filed no. WO / 2017/179083, is further subcooled in (7) thanks to the internal heat exchange with the second fractionation (s2), whose flow rate is calibrated so as to allow complete evaporation before entering the second compression stage (2). The outlet of the hot branch (7c) of the second heat exchanger (7) is connected via a duct to the expander (8). In this way, the remaining flow rate of fluid (therefore net of the two fractionations) is made to expand by / through said expander (8) up to the evaporation pressure.
Successivamente, la portata di fluido (1-s1-s2) viene fatta completamente evaporare tramite lo scambiatore di bassa pressione (9) e poi compressa in (1), fino alla pressione a valle dell’espansore (10), la cui mandata viene collegata al condotto di aspirazione del compressore principale (2). Subsequently, the flow rate of fluid (1-s1-s2) is completely evaporated through the low pressure exchanger (9) and then compressed in (1), up to the pressure downstream of the expander (10), whose delivery is connected to the intake duct of the main compressor (2).
Infine, l’intera portata di fluido viene rimescolata e compressa completamente alla pressione dello scambiatore di alta pressione (3) per iniziare un nuovo ciclo. Finally, the entire flow of fluid is mixed and compressed completely at the pressure of the high pressure exchanger (3) to start a new cycle.
Nell’arte non è presente, e non è mai stato suggerito, un dispositivo per le attività/funzioni sopra descritte uguale o simile a quello oggetto della presente invenzione. L’effetto utile della configurazione rispetto al caso al singolo stadio tradizionale viene dunque ulteriormente incrementato, sia grazie al sottoraffreddamento più spinto del refrigerante in uscita dallo scambiatore di alta pressione (3) e sia alla maggiore energia recuperata con l’aggiunta del secondo loop di recupero termico interno. In questo modo, infatti, è possibile ottenere un’efficienza maggiore dovuto ad una gestione efficace della ripartizione dei carichi frazionati, che utilizza al più due stadi di compressione, risultando quindi meno costoso e meno complesso da gestire. In the art there is no, and has never been suggested, a device for the activities / functions described above equal or similar to the one object of the present invention. The useful effect of the configuration compared to the traditional single stage case is therefore further increased, both thanks to the more extreme subcooling of the refrigerant leaving the high pressure exchanger (3) and to the greater energy recovered with the addition of the second internal heat recovery. In this way, in fact, it is possible to obtain greater efficiency due to an effective management of the distribution of fractionated loads, which uses at most two compression stages, thus making it less expensive and less complex to manage.
L’uso dell’economizzatore permette un miglioramento dell’efficienza tanto maggiore quanto maggiore e il rapporto di compressione, quanto più è alta la temperatura del fluido e quanto più è bassa la temperatura della sorgente fredda. Per contro, non permette di sfruttare il sottoraffreddamento indotto dall’elevato salto termico dato che è già sfruttato dagli economizzatori stessi. The use of the economizer allows an improvement in efficiency the greater the higher the compression ratio, the higher the temperature of the fluid and the lower the temperature of the cold source. On the other hand, it does not allow to take advantage of the subcooling induced by the high temperature difference since it is already exploited by the economizers themselves.
L’espansore (10) può assumere la configurazione di una valvola di laminazione, oppure in alternativa può assumere la configurazione di una turbina. In tal caso, detta turbina può essere collegata fisicamente/meccanicamente ad almeno un alternatore (ovvero assume la configurazione di un turboalternatore), oppure in alternativa può essere collegata fisicamente/meccanicamente ad almeno un compressore (ovvero assume la configurazione di un turbocompressore), atta a fornire/erogare energia elettrica e/o meccanica rispettivamente, garantendo la possibilità di autonomo adattamento alle differenti condizioni di carico senza l’ausilio di controlli esterni. The expander (10) can assume the configuration of a lamination valve, or alternatively it can assume the configuration of a turbine. In this case, said turbine can be physically / mechanically connected to at least one alternator (i.e. it assumes the configuration of a turbo-alternator), or alternatively it can be physically / mechanically connected to at least one compressor (i.e. it assumes the configuration of a turbocharger), suitable for to supply / supply electrical and / or mechanical energy respectively, ensuring the possibility of autonomous adaptation to different load conditions without the aid of external controls.
L'oggetto dell’invenzione è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nel concetto inventivo espresso nelle rivendicazioni allegate. The object of the invention is susceptible of numerous modifications and variations, all falling within the inventive concept expressed in the attached claims.
Tutti i particolari potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti, ed i materiali potranno essere diversi a seconda delle esigenze, senza uscire dall'ambito di tutela della presente invenzione. All the details can be replaced by other technically equivalent elements, and the materials can be different according to the requirements, without departing from the scope of protection of the present invention.
Anche se l'oggetto è stato descritto con particolare riferimento alle figure allegate, i numeri di riferimento usati nella descrizione e nelle rivendicazioni sono utilizzati per migliorare la comprensione/intelligenza dell’invenzione e non costituiscono alcuna limitazione all'ambito di tutela rivendicato. Although the object has been described with particular reference to the attached figures, the reference numbers used in the description and in the claims are used to improve the understanding / intelligence of the invention and do not constitute any limitation to the scope of protection claimed.
I risultati preliminari teorici ottenuti hanno mostrato come la soluzione proposta offra potenzialmente sia una maggiore efficienza energetica sia un incremento della capacità frigorifera rispetto i valori che caratterizzano l’impianto reale con i quali sono stati confrontati i dati. Fissata la temperatura dello scambiatore di alta pressione (ad esempio un condensatore), sia la variazione dell’efficienza energetica sia della capacità frigorifera aumentano al diminuire della temperatura di evaporazione e quindi all’aumentare del lift lordo delle temperature di esercizio. In sostanza peggiori sono le condizioni di funzionamento e maggiore è il potenziale di risparmio ottenibile. The preliminary theoretical results obtained showed how the proposed solution potentially offers both greater energy efficiency and an increase in cooling capacity compared to the values that characterize the real system with which the data were compared. Once the temperature of the high pressure exchanger (for example a condenser) is fixed, both the variation in energy efficiency and in the cooling capacity increase as the evaporation temperature decreases and therefore as the gross lift of operating temperatures increases. Basically, the worse the operating conditions, the greater the savings potential that can be obtained.
Il fluido organico inizialmente utilizzato è stato l’R404a, che è attualmente uno dei più efficienti e impiegati nelle applicazioni di congelamento industriale. I risultati hanno dimostrato un notevole risparmio di energia per una temperatura di evaporazione di circa 40 °C a parità di potenza/resa frigorifera (ad esempio di 30 kW), un risparmio economico proporzionale al risparmio energetico e riduzione nelle emissioni di gas climalteranti. The organic fluid initially used was R404a, which is currently one of the most efficient and used in industrial freezing applications. The results demonstrated a significant energy saving for an evaporation temperature of about 40 ° C with the same cooling capacity / output (for example 30 kW), an economic saving proportional to the energy saving and a reduction in climate-altering gas emissions.
Si è trovato che un dispositivo per la circolazione di fluido refrigerante secondo la presente invenzione, ossia comprendete una fase di precompressione con doppio sottoraffreddamento eseguita mediante mezzi di espansione principali, permette di ottenere un coefficiente di prestazione (COP) maggiore rispetto a quello di un dispositivo tradizionale del tipo illustrato nelle Figure 1 e 2. It has been found that a device for the circulation of refrigerant fluid according to the present invention, i.e. comprising a prestressing phase with double subcooling carried out by means of main expansion means, allows to obtain a higher coefficient of performance (COP) than that of a device conventional of the type illustrated in Figures 1 and 2.
Con riferimento all’impianto descritto in figura 3, assumendo una With reference to the system described in Figure 3, assuming a
di ∆Tmin = 5 °C negli scambiatori di calore (5) e (7), un rendimento ηT = 0,69 dell’espansore a turbina (7), un rendimento ηC = 0,51 del compressore (1), ed un rendimento ηCP = 0,63 del compressore principale (2), si ottengono i valori di pressione (p), temperatura (T), entropia (s) ed entalpia (h) degli stati fisici 1*-13* del diagramma p-h di Figura 3 riportati in tabella 4. of ∆Tmin = 5 ° C in the heat exchangers (5) and (7), an efficiency ηT = 0.69 of the turbine expander (7), a efficiency ηC = 0.51 of the compressor (1), and a efficiency ηCP = 0.63 of the main compressor (2), the values of pressure (p), temperature (T), entropy (s) and enthalpy (h) of the physical states 1 * -13 * of the p-h diagram in Figure are obtained 3 shown in table 4.
In tabella 5 vengono inoltre riportati i risultati termodinamici ottenuti a partire dai parametri di tabella 4. Table 5 also reports the thermodynamic results obtained starting from the parameters of table 4.
TABELLA 4 TABLE 4
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TABELLA 5 TABLE 5
Da quanto finora esposto è possibile asserire che la soluzione proposta secondo la presente invenzione permette di ottenere un aumento delle prestazioni pari a circa il 54%. From what has been described up to now it is possible to assert that the solution proposed according to the present invention allows to obtain an increase in performance equal to about 54%.
Il funzionamento dell’impianto con tale configurazione risulta essere economicamente vantaggiosa rispetto l’impianto tradizionale e si può dedurre facilmente che aumentando la resa frigorifera dell’impianto si ottiene un beneficio economico maggiore. The operation of the system with this configuration is economically advantageous compared to the traditional system and it can be easily deduced that by increasing the refrigeration efficiency of the system, a greater economic benefit is obtained.
I primi risultati di tale confronto, il quale non ha riguardato soltanto la valutazione dell’effetto utile rispetto il sistema tradizionale ma anche l’eventuale utilizzo di diversi fluidi di lavoro, hanno mostrato come la soluzione proposta consenta di ottenere un miglioramento del Coefficiente di Prestazione (COP) e della capacità frigorifera dell’impianto. The first results of this comparison, which did not concern only the evaluation of the useful effect compared to the traditional system but also the possible use of different working fluids, showed how the proposed solution allows to obtain an improvement in the Coefficient of Performance. (COP) and the cooling capacity of the plant.
All’aumentare del lift lordo del ciclo termodinamico aumenta il potenziale di risparmio energetico conseguibile con la configurazione proposta. As the gross lift of the thermodynamic cycle increases, the potential for energy savings achievable with the proposed configuration increases.
È stato risolto inoltre un problema di ottimizzazione per il fluido selezionato R744 (CO<2>) riportato in tabella 6. La figura 5 mostra rispettivamente il corrispondente diagramma p-h (pressione-entalpia), mantenendo invariato il layout delineato in figura 3. Furthermore, an optimization problem for the selected fluid R744 (CO <2>) reported in table 6 has been solved. Figure 5 shows respectively the corresponding p-h (pressure-enthalpy) diagram, keeping the layout outlined in figure 3 unchanged.
TABELLA 6 TABLE 6
In questo caso, lo scambiatore di alta pressione (3) assumerebbe la classica configurazione del gas cooler, anziché un condensatore, mentre l’espansore (8) può essere eventualmente una turbina, anziché una valvola di laminazione. In this case, the high pressure exchanger (3) would assume the classic configuration of the gas cooler, instead of a condenser, while the expander (8) may possibly be a turbine, rather than a lamination valve.
Analogamente a quanto svolto nella pratica precedente, detta turbina può essere collegata fisicamente/meccanicamente ad almeno un alternatore (ovvero assume la configurazione di un turboalternatore), oppure in alternativa può essere collegata fisicamente/meccanicamente ad almeno un compressore (ovvero assume la configurazione di un turbocompressore). Similarly to what has been done in the previous practice, said turbine can be physically / mechanically connected to at least one alternator (i.e. it assumes the configuration of a turbo-alternator), or alternatively it can be physically / mechanically connected to at least one compressor (i.e. it assumes the configuration of a turbocharger).
I livelli di pressione intermedi a cui lavorano gli espansori non sono stati impostati a priori. Si è pensato piuttosto di verificare quali debbano essere i loro valori ottimali che, insieme ad opportuna taratura dei frazionamenti, massimizzano il rendimento ottenuto. The intermediate pressure levels at which the expanders work have not been set in advance. Rather, it was decided to verify what their optimal values should be, which, together with an appropriate calibration of the fractions, maximize the yield obtained.
L’idea di partenza è stata però quella di ragionare a parità di servizio erogato. The starting idea, however, was to think with the same service provided.
Con riferimento alle caratteristiche tecniche dell’invenzione, il procedimento esposto definisce un metodo tecnico inventivo/originale che in relazione alle modalità di attuazione degli elementi combinati tra loro, forniscono per l’impianto un risultato utile e conveniente, in quanto vengono definiti in modo agevole gli elementi distintivi, adeguati e necessari per migliorare il coefficiente di effetto utile di un impianto termodinamico operatore, ottimizzando le prestazioni al minimo costo rispetto ai documenti brevettuali sopra citati. With reference to the technical characteristics of the invention, the described procedure defines an inventive / original technical method which, in relation to the methods of implementation of the elements combined with each other, provide a useful and convenient result for the plant, as they are easily defined the distinctive elements, adequate and necessary to improve the useful effect coefficient of an operator thermodynamic plant, optimizing performance at minimum cost compared to the above-mentioned patent documents.
Ulteriori sviluppi del progetto riguarderanno una approfondita analisi di fattibilità economica; sarà necessario quindi dimensionare opportunamente gli scambiatori interni, selezionare l’espansore più adeguato a seconda del campo di impiego e valutare accuratamente gli organi ausiliari e la sensoristica necessaria. Further developments of the project will concern an in-depth economic feasibility analysis; it will therefore be necessary to appropriately size the internal exchangers, select the most appropriate expander according to the field of use and carefully evaluate the auxiliary organs and the necessary sensors.
Altro aspetto da approfondire riguarderà l’ottimizzazione dei livelli di pressione interni e dei frazionamenti al variare delle temperature delle sorgenti termiche. Ciò permetterebbe la costruzione di una sorta di “mappa” della macchina termodinamica che permetterebbe ad uno opportuno sistema di regolazione di garantire le migliori prestazioni al variare delle condizioni di funzionamento. Another aspect to be explored will concern the optimization of internal pressure levels and fractionations as the temperatures of the thermal sources vary. This would allow the construction of a sort of "map" of the thermodynamic machine which would allow an appropriate regulation system to guarantee the best performance when the operating conditions vary.
I risultati fin qui ottenuti, inerenti ad una fase iniziale del progetto basata su analisi teorica, hanno mostrano come l’impiego della soluzione proposta sia più opportuno in impianti frigoriferi di media e grossa taglia per motivi prettamente economici; non ci sono, allo stato attuale, limiti teorici ad un eventuale impiego in funzionamento a pompa di calore. The results obtained so far, inherent to an initial phase of the project based on theoretical analysis, show how the use of the proposed solution is more appropriate in medium and large-sized refrigeration systems for purely economic reasons; at present there are no theoretical limits to a possible use in heat pump operation.
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