IT201900007359A1 - Separatore idraulico a dispersione termica limitata e metodo di regolazione. - Google Patents

Separatore idraulico a dispersione termica limitata e metodo di regolazione. Download PDF

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Brusin Marco Rosa
Paolo Arrus
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Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo:
“SEPARATORE IDRAULICO A DISPERSIONE TERMICA LIMITATA E METODO DI REGOLAZIONE”.
DESCRIZIONE
CAMPO DELLA TECNICA
La presente invenzione si riferisce a un separatore idraulico a dispersione termica limitata e a un metodo di regolazione.
Più in particolare, la presente invenzione si riferisce a un dispositivo idraulico separatore per impianti idronici e termotecnici con una dispersione termica limitata tra le vene fluide a temperature diverse a contatto tra di loro, in ingresso e in uscita dal separatore e al relativo metodo di regolazione dello stesso separatore.
STATO DELLA TECNICA PREESISTENTE
Nei moderni impianti idronici e termotecnici per il riscaldamento e/o il raffrescamento, sono di largo utilizzo i dispositivi detti separatori idraulici, atti a disaccoppiare un circuito idraulico “a monte” con un circuito idraulico “a valle” rendendo gli stessi indipendenti in termini di portate, pressioni dinamiche e da altri fattori circuitali di disturbo fluidodinamico come dipendenze circuitali, correnti parassite etc.
Il separatore idraulico è generalmente inserito tra i collettori principali del circuito “primario” a monte, tipicamente quello di produzione di energia termica, e i collettori principali del circuito “secondario” a valle, tipicamente di utenza termica, dove entrambi i circuiti sono generalmente provvisti di uno o più mezzi di circolazione del fluido come pompe idrauliche o di movimentazione del fluido.
Con riferimento iniziale alla figura 4, un tradizionale separatore idraulico è generalmente costituito da un contenitore o involucro metallico di forma tubolare chiuso alle estremità da due testate, detto separatore idraulico definente internamente un’incameratura o camera, vantaggiosamente di forma oblunga, posta in collegamento di fluido con almeno quattro aperture passanti ricavate sull’involucro esterno. Dette aperture individuano rispettivamente due aperture di mandata, per il fluido termovettore in arrivo dal circuito primario sorgente e in ingresso al circuito secondario di utenza e due aperture di ritorno per il fluido termovettore in ritorno verso il circuito primario sorgente e in uscita dal circuito secondario d’utenza.
Il separatore idraulico può essere installato verticalmente, con la parte oblunga perpendicolare con il suolo od orizzontalmente, con la parte oblunga parallela al suolo. Dette aperture di mandata e di ritorno sono tipicamente formate sul corpo del separatore idraulico in comunicazione di fluido con la camera interna e sono tradizionalmente disposte perpendicolarmente rispetto all’asse longitudinale dello stesso separatore idraulico. In una configurazione di installazione normale, sempre con riferimento alla figura 4, dette aperture di mandata mettono in comunicazione di fluido la camera del separatore idraulico con il collettore di mandata in arrivo dal circuito primario e il collettore di mandata in ingresso nel circuito secondario di utenza, dette aperture di mandata essendo generalmente affacciate l’una rispetto all’altra e coassialmente disposte in comunicazione di fluido sulla camera interna del separatore idraulico.
Le aperture di ritorno, invece, mettono in comunicazione la camera del separatore idraulico con il collettore di ritorno in arrivo dal circuito secondario e il collettore di ritorno in ingresso nel circuito primario sorgente, dette aperture di mandata essendo anch’esse generalmente affacciate l’una rispetto all’altra e coassialmente disposte in comunicazione di fluido sulla camera interna del separatore idraulico.
Esistono tuttavia nell’arte nota esempi costruttivi di separatori idraulici nei quali le coppie di aperture, di mandata e di ritorno, sono poste in collegamento di fluido con la camera del separatore idraulico in maniera non coassiale tra rispettive aperture della singola coppia.
I separatori idraulici possono essere provvisti di setti o reti forate, disposti internamente alla camera del separatore e atti ad intercettare il flusso di fluido di passaggio da un’apertura all’altra in maniera tale da bloccare eventuali bolle di gas\aria, impurità o scorie, che sono successivamente eliminate attraverso delle valvole di scarico disposte solitamente sulle testate dell’involucro esterno di detto separatore idraulico.
Per migliorare l’efficienza termica dell’impianto, e limitare le dispersioni di calore, nei moderni impianti i separatori idraulici possono anche essere provvisti di un’ulteriore involucro aggiuntivo o cappotto in materiale isolante atto a limitare la trasmissione e le dispersioni di calore attraverso l’involucro esterno del separatore idraulico.
Un tipico esempio di detti noti dispositivi è descritto nel brevetto statunitense US 7,117,888 B2 che si riferisce ad un tradizionale separatore idraulico atto ad essere installato tra un circuito primario del liquido e un circuito secondario del liquido, in maniera tale che detto circuito primario e detto circuito secondario siano idraulicamente indipendenti. Detto separatore idraulico ha un corpo allungato con uno spazio o camera interno delimitato da una parete. Nello spazio interno sono realizzate un’apertura di alimentazione in arrivo dal circuito primario del liquido ed una luce di scarico che conduce al circuito primario del liquido, dette trovandosi sostanzialmente su un lato longitudinale del separatore idraulico. Anche nello spazio interno sono realizzate un’apertura di alimentazione che conduce al circuito secondario del liquido e una luce di scarico di ritorno dal circuito secondario del liquido, dette trovandosi sostanzialmente su un diverso lato longitudinale del separatore. L’apertura di alimentazione in arrivo dal circuito primario del liquido e la luce di scarico che conduce al circuito secondario del liquido si trovano sostanzialmente in corrispondenza di una prima zona di altezza del separatore idraulico. La luce di scarico che conduce al circuito primario del liquido e l’apertura di alimentazione in arrivo dal circuito secondario del liquido si trovano sostanzialmente ad una diversa altezza in una seconda zona di altezza del separatore idraulico. Nello spazio interno al separatore idraulico, sia nella prima zona di altezza sia nella seconda zona di altezza, sono disposti un insieme di corpi di riempimento aperti aventi una grande superficie in rapporto al volume che occupano all’interno del separatore.
Come precedentemente accennato, la funzione di un separatore idraulico è quella di separare il circuito termo-idraulico di un impianto di riscaldamento e/o raffrescamento in due sotto-circuiti idraulici, un circuito primario e un circuito secondario, in maniera tale da consentire al fluido in ingresso dall’apertura di mandata, in arrivo dalla sorgente termica del circuito primario, di poter essere convogliato direttamente nel collettore di scarico del circuito primario, attraverso la camera del separatore, nel caso in cui le pompe idrauliche di movimentazione e il flusso del circuito secondario d’utenza siano fermi mentre le pompe di movimentazione del fluido e il flusso del circuito primario sono in movimento. Sempre con riferimento iniziale alla figura 4 ed anche alle figure da 5a a 5c, quando le pompe di circolazione del fluido nei circuiti secondario e primario non producono la stessa portata Q si verifica uno sbilanciamento idraulico tra il circuito della sorgente termica e il circuito dell’utenza, con le sue varie ramificazioni, che si misura generalmente attraverso l’aumento della differenza di pressione ∆ p, misurata tra i collettori di mandata e di ritorno dei circuiti primario e secondario. Quando, ad esempio, la portata Q1 generata dalla pompa di circolazione del fluido del circuito primario è maggiore della portata Q2 richiesta dal circuito di utenza (figura 5b), la quota di flusso di fluido in eccesso defluisce dall’apertura di mandata in arrivo dal circuito primario direttamente verso l’apertura di scarico di ritorno al circuito primario, passando attraverso la camera del separatore idraulico e realizzando un circuito di bypass o di corto circuito idraulico.
Quando, invece, la portata Q2 richiesta dalle pompe di circolazione del fluido del circuito secondario dell’utenza è maggiore della portata Q1 generata dal circuito primario o sorgente (figura 5a), la quota di flusso di fluido mancante rientra dall’apertura di ritorno in uscita dal circuito secondario direttamente verso l’apertura di mandata in ingresso allo stesso circuito secondario, passando sempre attraverso la camera del separatore idraulico e realizzando anche in questo caso un circuito di bypass o di corto circuito idraulico. Nelle condizioni operative e funzionali illustrate nelle figure 5b e 5b, riferite esemplificativamente a un separatore installato su di un impianto di produzione e distribuzione del calore per il riscaldamento, l’efficienza termica dell’impianto è limitata in quanto una considerevole parte del calore o della capacità frigorifera del fluido termovettore non è utilizzata o viene dispersa, essendo deviata insieme al flusso di fluido di compensazione all’interno del separatore idraulico. Queste condizioni particolari (figure 5a e 5b) pertanto, devono essere per quanto possibile transitorie e devono essere evitate nelle condizioni di funzionamento a règime.
Le stesse considerazioni possono essere fatte, mutatis mutandis, relativamente a un separatore installato su di un impianto frigorifero per il raffrescamento.
Nella progettazione e nella regolazione degli impianti idronici di riscaldamento e/o raffrescamento, anche attraverso una regolazione elettronica delle pompe di movimentazione, è ricercata comunque la condizione di bilanciamento ideale tra le pompe di circolazione dei circuiti primario e secondario, condizione nella quale la portata del circuito primario Q1 è sostanzialmente uguale alla portata Q2 del circuito secondario (figura 5c), poiché questa è la condizione di massima efficienza termica dell’impianto idronico nella quale è trasferita o sottratta dall’impianto di circolazione secondario dell’utenza la maggior quantità di calore e dove è minima l’energia dissipata dall’impianto. Attualmente, nei moderni impianti idronici di riscaldamento e/o raffreddamento, la continua ricerca di un minor consumo di energia e la maggior importanza per la salvaguardia dell’ambiente spingono sempre di più verso una maggiore efficienza termica degli impianti volta a eliminare o limitare tutte le possibili dispersioni e sprechi di calore ed energia attraverso condotti, dispositivi e organi componenti dell’impianto termico, migliorando così il rendimento del ciclo termodinamico in maniera tale da ridurre il consumo di materie prime necessarie per la produzione e la distribuzione del calore e/o della capacità frigorifera.
I separatori idraulici secondo l’arte nota, anche nella condizione ideale di figura 5c, dove le portate Q1 e Q2 sono sostanzialmente equivalenti, presentano tuttavia degli inconvenienti e dei limiti di funzionamento.
Un limite importante di questi tradizionali separatori idraulici installati su tipici impianti idronici di riscaldamento e/o raffreddamento è dovuto al fatto che, anche nel caso ideale in cui le portate Q1 e Q2 sono uguali, le due vene fluide in ingresso e in uscita dal circuito secondario, e che attraversano il separatore idraulico, sono a contatto di fluido tra di loro all’interno della camera interna del separatore. Pertanto, una quantità di calore o di capacità frigorifera posseduta dal fluido in ingresso è dissipata dalla contaminazione termica tra le due vene di fluido attraverso la conduzione termica del fluido all’interno della camera del separatore.
Altro inconveniente importante dei citati separatori idraulici secondo l’arte nota è dovuto al fatto che la dispersione termica attraverso la camera del separatore aumenta con l’aumentare del gradiente termico tra il fluido freddo e il fluido caldo, cioè al “salto” di temperatura disponibile nel ciclo termodinamico.
Un ulteriore inconveniente dei tradizionali separatori idraulici è dovuto al fatto che la contaminazione termica tra le due vene fluide a diversa temperatura, in ingresso e in uscita dal separatore idraulico, è ancor maggiore nel caso di installazione in posizione coricata del dispositivo, posizione nella quale la parte oblunga del corpo del separatore è disposta orizzontalmente; in questo caso infatti è minore la stratificazione di fluido a temperature diverse alle due estremità della camera del separatore idraulico con conseguente maggiore insorgenza di correnti parassite rotatorie e moti convettivi all’interno del separatore che aumentano il rimescolamento tra fluido a temperature diverse contribuendo all’aumento della dispersione termica.
SCOPI DELL’INVENZIONE
Scopo della presente invenzione è quello di superare ed ovviare, almeno in parte, agli inconvenienti e ai limiti di funzionamento sopra citati.
Più in particolare, scopo della presente invenzione è quello di provvedere un separatore idraulico a dispersione termica limitata e un metodo di regolazione, atti a garantire un aumentato livello di efficienza termica con una limitata dispersione di energia nell’ impianto idronico.
Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione dell’utilizzatore un separatore idraulico a dispersione termica e un metodo di regolazione con una limitata circolazione parassita di fluido all’interno della camera e con un minor rimescolamento dei fluidi a differente temperatura.
Ulteriore scopo ancora della presente invenzione è quello di provvedere un separatore idraulico a dispersione termica limitata in grado di garantire un elevato livello di resistenza e affidabilità nel tempo, tale inoltre da poter essere facilmente ed economicamente realizzabile.
Questi e altri scopi sono raggiunti dal separatore idraulico a dispersione termica limitata e al metodo di regolazione oggetto della presente invenzione in accordo con le rivendicazioni indipendenti.
Le caratteristiche costruttive e funzionali del un separatore idraulico a dispersione termica limitata e del metodo di regolazione potranno essere meglio comprese dalla dettagliata descrizione che segue, nella quale si fa riferimento alle allegate tavole di disegno che ne rappresentano alcune forme di realizzazione preferite e non limitative, in cui:
BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE
la figura 1a è una rappresentazione schematica di una vista frontale in sezione longitudinale di una forma di realizzazione preferita del separatore idraulico a dispersione termica limitata oggetto della presente invenzione;
la figura 1b è una rappresentazione schematica di una vista laterale in sezione longitudinale della stessa forma di realizzazione preferita del separatore idraulico a dispersione termica limitata oggetto della presente invenzione;
la figura 2 è una rappresentazione schematica di una vista frontale in sezione longitudinale della forma di realizzazione preferita del separatore idraulico a dispersione termica limitata oggetto della presente invenzione nel funzionamento con uguali portate di fluido nel circuito primario e secondario ed elemento mobile chiuso con conduzione termica nulla o limitata;
la figura 3a è una rappresentazione schematica di una vista frontale in sezione longitudinale della forma di realizzazione preferita del separatore idraulico a dispersione termica limitata oggetto della presente invenzione nel funzionamento con portata di fluido minore nel circuito primario e maggiore nel circuito secondario;
la figura 3b è una rappresentazione schematica di una vista frontale in sezione longitudinale della forma di realizzazione preferita del separatore idraulico a dispersione termica limitata oggetto della presente invenzione nel funzionamento con portata di fluido maggiore nel circuito primario e minore nel circuito secondario;
la figura 3c è una rappresentazione schematica di una vista frontale in sezione longitudinale della forma di realizzazione preferita del separatore idraulico a dispersione termica limitata oggetto della presente invenzione nel funzionamento con uguali portate di fluido nel circuito primario e secondario;
la figura 4 è una rappresentazione schematica di una vista in sezione longitudinale di un tradizionale separatore idraulico secondo l’arte nota nel funzionamento con uguali portate di fluido nel circuito primario e secondario con presenza di contaminazione termica per conduzione e dispersione di calore tra le vene fluide a contatto;
la figura 5a è una rappresentazione schematica di una vista frontale in sezione longitudinale di un separatore idraulico secondo l’arte nota nel funzionamento con portata di fluido minore nel circuito primario e maggiore nel circuito secondario;
la figura 5b è una rappresentazione schematica di una vista frontale in sezione longitudinale di un separatore idraulico secondo l’arte nota nel funzionamento con portata di fluido maggiore nel circuito primario e minore nel circuito secondario;
la figura 5c è una rappresentazione schematica di una vista frontale in sezione longitudinale di un separatore idraulico secondo l’arte nota nel funzionamento con uguali portate di fluido nel circuito primario e secondario;
la figura 6a è una rappresentazione schematica di una vista frontale in sezione longitudinale del separatore idraulico oggetto della presente invenzione con l’elemento mobile del tipo otturatore a globo azionato da un attuatore lineare;
la figura 6b è una rappresentazione schematica di una vista frontale in sezione longitudinale del separatore idraulico oggetto della presente invenzione con l’elemento mobile del tipo otturatore a battente;
la figura 6c è una rappresentazione schematica di una vista frontale in sezione longitudinale del separatore idraulico oggetto della presente invenzione con l’elemento mobile del tipo a membrana o diaframma deformabile;
Le figure 7a, 7b e 7c, sono delle rappresentazioni schematiche di viste frontali in sezione longitudinale del separatore idraulico oggetto della presente invenzione in una ulteriore forma con l’elemento mobile del tipo a forma idrodinamica in diverse posizioni operative; la figura 8 è una rappresentazione schematica del grafico della funzione del comando di apertura dell’elemento mobile in ordinate e del rapporto tra le variabili fisiche del fluido in ascisse;
la figura 9 è una rappresentazione schematica esemplificativa di un algoritmo di implementazione del metodo di controllo per l’apertura dell’elemento mobile in funzione dei parametri fisici del fluido.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE
Con riferimento iniziale alle figure da 1a a 2, è rappresentato, in una forma di realizzazione preferita, un separatore idraulico a dispersione termica limitata, indicato nel complesso con 10, per l’installazione su impianti idronici per il riscaldamento e/o il raffrescamento, detto separatore idraulico 10 comprendente:
- un corpo 11 cavo con un involucro 12 definente internamente una camera 14; - almeno due prime aperture 16, 16’ passanti, per la mandata di un fluido e almeno due seconde aperture 17, 17’ passanti, per il ritorno di un fluido dette prime aperture 16, 16’ e dette seconde aperture 17’, 17 essendo ricavate su detto involucro 12 del corpo 11 ed essendo atte a porre in comunicazione di fluido detta camera 14 con mezzi di collegamento idraulico a circuiti esterni.
Il separatore idraulico 10 oggetto della presente invenzione presenta la caratteristica innovativa di comprendere almeno un elemento mobile 20 atto a separare la camera 14 del corpo 11 in una prima porzione 14’ di volume e una seconda porzione 14’’ di volume, in maniera tale da limitare fino ad ostruire la sezione trasversale di passaggio e di contatto di un fluido tra detta prima porzione 14’ e detta seconda porzione 14’’.
Con riferimento sempre alle figure da 1a a 3c, detto elemento mobile 20 può vantaggiosamente essere realizzato come corpo farfallato comprendente una valvola a farfalla 20’ girevolmente disposta all’interno della camera 14 per mezzo di un perno di rotazione 22
Nella forma di realizzazione delle figure, detta valvola a farfalla 20’ è atta a ruotare solidalmente con il perno di rotazione 22 girevolmente alloggiato per mezzo di tradizionali supporti o boccole di rotazione (non raffigurati) disposti sul corpo 11 del separatore idraulico 10.
In altre forme di realizzazione alternative, detto elemento mobile 20 può comprendere anche due o più parti mobili o battenti girevolmente incernierate rispetto al corpo 11 per mezzo di rispettivi perni di rotazione e atte in cooperazione a impedire o consentire il passaggio di fluido tra detta prima porzione 14’ e detta seconda porzione 14’’ e viceversa. L’elemento mobile 20 può generalmente comprendere un qualsiasi tradizionale sistema di regolazione del tipo a otturatore o a saracinesca, detto elemento mobile 20 essendo atto ad aprirsi in seguito a una differenza di pressione del fluido tra la prima porzione 14’ e la seconda porzione 14’’ della camera 14 oppure in seguito all’azionamento meccanico di un attuatore 30 rotazionale o lineare, in maniera tale da consentire il passaggio di fluido tra detta prima porzione 14’ e detta seconda porzione 14’’ e viceversa.
Detto elemento mobile 20, comprendente anche una o più parti mobili cooperanti, può anche essere mantenuto in una posizione stabile chiusa di limitato o interrotto collegamento di fluido o in posizione aperta, tra la prima porzione 14’ e la seconda porzione 14’’ della camera 14, per mezzo di tradizionali elementi elastici di richiamo (non raffigurati), tipo molle di compressione o molle di torsione.
Con riferimento particolare alla forma di realizzazione delle figure da 1a a 3c, detto elemento mobile 20 comprendente la valvola a farfalla 20 può vantaggiosamente essere collegato per mezzo del perno di rotazione 22 a un attuatore 30 rotazionale, tipo servomeccanismo elettromeccanico, elettrico o fluidico, detto attuatore 30 rotazionale essendo atto a ruotare il perno di rotazione 22 con la valvola a farfalla 20’ in maniera tale da limitare o interrompere il passaggio di fluido tra la prima porzione 14’ e la seconda porzione 14’’ della camera 14 e viceversa.
Ulteriore caratteristica innovativa dell’elemento mobile 20, comprendente ad esempio una valvola a farfalla 20’, è quella di poter essere realizzato in materiale isolante a bassa conducibilità termica, come materiali plastici polimerici o termo-polimeri o altri materiali equivalenti, in maniera tale da ridurre ulteriormente il gradiente termico tra detta prima porzione 14’ e detta seconda porzione 14’’ e limitare o impedire la dispersione di calore Q D attraverso la sezione trasversale della camera 14 del separatore idraulico 10.
Con riferimento particolare alle figure 6a, 6b e 6c, sono rappresentate delle ulteriori forme di realizzazione dell’elemento mobile20.
Nella forma di realizzazione di figura 6a, l’elemento mobile 20 comprende un otturatore a piattello 18 del tipo a globo azionato da un attuatore 30 lineare, di tipo elettrico o elettromeccanico, che in movimento traslatorio lineare apre o chiude un’apertura di passaggio15 ricavata in un setto 13 che separa la prima porzione 14’ e la seconda porzione 14’’ della camera 14 del separatore idraulico 10. Il setto 13 può essere generalmente realizzato dello stesso materiale del corpo 11 del separatore ma può essere anche vantaggiosamente realizzato in materiale termicamente isolante.
Nella forma di realizzazione di figura 6b, l’elemento mobile 20 comprende un otturatore rotante 20’’ del tipo a battente o clapet avente una forma discoidale coniugata con la camera 14, detto otturatore rotante 20’’ essendo incernierato per mezzo del perno di rotazione 22 in corrispondenza del bordo diametrale con la parete interna della stessa camera 14. L’elemento mobile 20 può inoltre essere vantaggiosamente tenuto in una posizione stabile, tipicamente chiusa, per mezzo di un elemento elastico (non raffigurato) come ad esempio una molla a spirale disposta coassialmente al perno di rotazione 22.
In un’ulteriore forma di realizzazione rappresentata in figura 6c, detto elemento mobile 20 può anche vantaggiosamente comprendere una membrana 70 deformabile in materiale elastomerico e termicamente isolante, detta membrana 70 essendo provvista di un’apertura o feritoia 72, normalmente chiusa e atta a deformarsi in maniera tale da consentire il passaggio di fluido tra la prima porzione 14’ e la seconda porzione 14’’ della camera 14 attraverso detta apertura o feritoia 72 e viceversa, quando sottoposta una differenza di pressione tra le due porzioni 14’, 14’’ di detta camera 14 del separatore idraulico 10.
Con riferimento particolare nuovamente alla figura 1b, il separatore idraulico 10 può anche essere vantaggiosamente provvisto di sensori 40, trasduttori o rilevatori elettrici o elettronici, disposti in corrispondenza delle prime aperture 16, 16’, o delle seconde aperture 17, 17’ o tra di esse. Detti sensori 40 possono essere sensori di pressione atti a misurare la differenza di pressione ∆ p tra i collettori di mandata e di ritorno di un circuito primario 90 e/o di un circuito secondario 90’ ma possono anche essere dei sensori di portata atti a misurare la quantità di fluido in transito nel circuito primario 90 o nel circuito secondario 90’, tra le prime e le seconde aperture 16, 16’, 17, 17’.
Detti sensori 40 possono ulteriormente essere dei sensori di temperatura, ad esempio termocoppie, disposti su ciascuna delle prime e delle seconde aperture 16, 16’, 17, 17’, detti sensori di temperatura essendo atti al rilevamento della temperatura del fluido in transito attraverso ciascuna apertura. A differenza dei sensori di pressione e di portata, i sensori di temperatura rappresentano una soluzione più conveniente e vantaggiosa in quanto sono costruttivamente più semplici, più economici e facili da gestire e interfacciare. Sempre con riferimento particolare alla figura 1b, detti sensori 40 sono generalmente collegati e interfacciati con un’unita di controllo 60, centralina o scheda elettronica, alloggiata esternamente o sul corpo 11 del separatore idraulico 10.
La misurazione effettuata da detti sensori 40 può corrispondere a un segnale che opportunamente gestito ed elaborato dall’unita di controllo 60 può comandare l’apertura dell’elemento mobile 20 proporzionalmente o con una legge funzione della differenza di pressione ∆ p, in maniera tale da consentire di aumentare o diminuire la comunicazione e il passaggio di fluido tra la prima porzione 14’ della camera 14 e le aperture di passaggio 16, 16’ con la seconda porzione 14’ della camera 14 e le aperture di passaggio 17, 17’.
Detto elemento mobile 20, in una ulteriore forma variante non raffigurata, può anche comprendere un foro, una sagomatura o un’apertura passante, formato sullo stesso elemento mobile 20 e tale che lo stesso, in posizione di chiusura, non impedisca totalmente la comunicazione di fluido tra detta prima porzione 14’ e detta seconda porzione 14’’ consentendo di scaricare eventuali sovra-pressioni del fluido su una o sull’altra porzione 14’, 14’’ della camera 14.
In ulteriori possibili forme di realizzazione, come nell’esempio delle figure 7a, 7b e 7c, detto almeno un elemento mobile 20 può avere una forma idrodinamica o aerodinamica, come ad esempio un profilo a sezione curvilinea o alare, tipo palettatura di turbina idraulica, della valvola a farfalla 20’, detta forma essendo atta ad agevolare, in posizione aperta, la circolazione del flusso di fluido di compensazione in passaggio tra la prima e seconda apertura 16, 17 o tra la seconda e la prima apertura 17’, 16’, orientando la valvola a farfalla 20’ e disponendo il profilo idrodinamico della sezione della stessa secondo la direzione sostanzialmente ad “U” del flusso di compensazione e convogliare efficacemente lo stesso tra i collettori in maniera tale da limitare l’ostruzione al passaggio del fluido dovuta all’elemento mobile 20 ed evitare la comparsa di turbolenze fluidodinamiche e correnti parassite all’interno della camera 14.
Dalla descrizione del separatore idraulico 10 a dispersione termica limitata, oggetto della presente invenzione, si evince il funzionamento di seguito descritto.
Nella descrizione del funzionamento seguente, come nelle allegate tavole di disegno, è preso in considerazione il caso pratico di funzionamento del separatore idraulico 10 installato in un impianto per la produzione e la distribuzione di calore per il riscaldamento. Risulterà evidente, pertanto, alla persona esperta del ramo, come le stesse considerazioni possono essere fatte, mutatis mutandis, al caso pratico in cui il separatore idraulico 10 è installato su un impianto di generazione e circolazione di un fluido freddo per il raffrescamento.
Con riferimento generale sempre alle figure da 1a a 2 e in particolare anche alle figure da 3a a 3c, il separatore idraulico 10 a dispersione termica limitata oggetto della presente invenzione fornisce una soluzione tecnica vantaggiosa rispetto ai tradizionali separatori idraulici in quanto consente di impedire, o quanto meno limitare significativamente, la dispersione di calore attraverso la sezione trasversale della camera interna 14 dello stesso separatore idraulico 10.
Nella condizione operativa di funzionamento del separatore idraulico 10, illustrata esemplificativamente in figura 3a, la portata richiesta dal circuito secondario 90’ è maggiore rispetto a quella del circuito primario 90; i sensori 40 di pressione rilevano una differenza di pressione ∆ p tra i collettori di mandata e di ritorno dei circuiti connessi con il separatore idraulico 10 e inviano un segnale all’unita di controllo 60 che comanda all’attuatore 30 l’apertura dell’elemento mobile 20, in maniera tale che parte del flusso di liquido possa fluire direttamente dalla seconda apertura 17’ di ritorno dal circuito secondario 90’ di utenza, alla prima apertura 16’ di mandata nel circuito di utenza i maniera da compensare la portata insufficiente in arrivo dal circuito primario 90 della sorgente. Nella condizione operativa di funzionamento del separatore idraulico 10, illustrata in figura 3b, la portata richiesta dal circuito secondario 90’ è minore rispetto a quella disponibile dal circuito primario 90; i sensori 40 di pressione rilevano anche in questo caso una differenza di pressione ∆ p tra i collettori di mandata e di ritorno dei due circuiti collegati con il separatore idraulico 10 e inviano un segnale all’unita di controllo 60 che comanda anche in questo caso l’apertura dell’elemento mobile 20 per mezzo dell’attuatore 30, in maniera tale che parte del flusso di liquido possa fluire direttamente dalla prima apertura 16 di arrivo dal circuito primario 90 sorgente, alla seconda apertura 17 di ritorno nel circuito primario sorgente, in maniera da compensare la portata insufficiente in ritorno dal circuito secondario 90’ dell’utenza.
E’ da notare come l’elemento mobile 20 possa aprirsi anche senza essere azionato da un attuatore ma solo in conseguenza della differenza di pressione del fluido tale da vincere anche la resistenza dell’elemento elastico (non raffigurato) che tende a mantenere lo stesso elemento mobile in posizione chiusa.
Nel caso di funzionamento operativo ideale illustrato in figura 3c, con riferimento anche alla figura 2, le portate di liquido nel circuito primario 90 e nel circuito secondario 90’ sono sostanzialmente equivalenti. I sensori 40 di pressione rilevano un differenziale di pressione ∆ p prossimo a zero e l’elemento mobile 20 rimane in posizione chiusa impedendo o comunque limitando significativamente lo scambio di fluido tra la prima porzione 14’ e la seconda porzione 14’’ della camera 14, e viceversa.
Con riferimento particolare alla figura 2, nel funzionamento a règime dell’impianto, la camera 14 del separatore idraulico 10 non è attraversata da nessun flusso di compensazione e il liquido presente nella stessa camera 14 è sostanzialmente stazionario, mentre la vena fluida di liquido “caldo” in movimento alla temperatura T1 = T3 fluisce direttamente dalla prima apertura 16 verso la seconda apertura 16’ e la vena fluida di liquido “freddo” di ritorno in movimento alla temperatura T2 = T4, più bassa rispetto a T1 = T3, fluisce direttamente dalla seconda apertura 17’ verso la prima apertura 17. Il liquido stazionario all’interno della camera 14, e a contatto diretto con le vene fluide in movimento a diversa temperatura tra le prime e seconde aperture 16, 16’, 17, 17’, non può tuttavia condurre calore attraverso l’elemento mobile 20, il quale separa il liquido stazionario all’interno della prima porzione 14’ e della seconda porzione 14’’ della camera 14, detto liquido stazionario trovandosi a temperature diverse nella prima porzione 14’ e nella seconda porzione 14’’.
L’elemento mobile 20, vantaggiosamente realizzato in materiale termicamente isolante, interrompe quindi il campo del gradiente termico (figura 2) tra le due vene fluide a temperature diverse impedendone la contaminazione per conduzione termica attraverso il liquido stazionario presente nella camera 14, come invece avviene in un tradizionale separatore idraulico, rappresentato in figura 4.
L’elemento mobile 20 può inoltre essere vantaggiosamente programmato per aprirsi di una misura o di un angolo proporzionale ad esempio alla differenza di pressione ∆ p in maniera tale da consentire il passaggio, quando necessaria, di una quantità maggiore o minore di fluido di compensazione.
Eventuali fori, aperture o sagomature sull’elemento mobile 20, ad esempio sulla valvola a farfalla 20’ delle figure, impediscono la totale separazione di fluido tra la prima porzione 14’ e la seconda porzione 14’’ della camera 14 mantenendo comunque limitato o trascurabile lo scambio termico e la contaminazione tra le vene fluide a diversa temperature, provvedendo però un’apertura di scarico in caso di picchi di pressione nell’impianto o nel caso di avaria dell’attuatore 30 con conseguente mancata apertura. La particolare conformazione idrodinamica dell’elemento mobile 20, come quella della valvola a farfalla 20’ delle figura 7a, 7b e 7c, consente inoltre una migliore circolazione del flusso liquido di compensazione che attraversa la camera 14, convogliando meglio il flusso di compensazione tra i collettori ed evitando la comparsa di turbolenze o correnti parassite all’interno della stessa camera 14.
Forma anche oggetto della presente invenzione un metodo per la regolazione di un separatore idraulico 10 e di impianti idronici per il riscaldamento e/o il raffrescamento comprendente le fasi di:
fornire un separatore idraulico 10 comprendente un corpo 11 cavo con un involucro 12 definente internamente una camera 14;
- fornire un fluido in mandata attraverso almeno due prime aperture 16, 16’ del corpo 11 e in ritorno attraverso almeno due seconde aperture 17, 17’ del corpo 11, dette prime aperture 16, 16’ e dette seconde aperture 17’, 17 essendo atte a porre in comunicazione di fluido una camera 14 del corpo 11 con mezzi di collegamento idraulico ad uno o più circuiti esterni;
- separazione di detta camera interna 14 per mezzo di almeno un elemento mobile 20, termicamente isolante, in una prima porzione 14’ e una seconda porzione14’’; - regolazione per mezzo di detto elemento mobile 20 della sezione trasversale di apertura e di contatto termico in funzione del passaggio di un fluido tra detta prima porzione 14’ e detta seconda porzione 14’’ in maniera tale da limitare la conduzione termica di calore fra le stesse prima e seconda porzione 14’, 14’’ della camera 14.
Il metodo 100 di regolazione, nel caso di controllo dell’elemento mobile 20 tramite un attuatore 30 comandato da un’unità di controllo 60, prima della fase di regolazione comprende ulteriormente le fasi di:
- misurazione 102 di variabili fisiche del fluido di passaggio tra le prime aperture 16, 16’ e le seconde aperture 17, 17’ del corpo 11 relativa al fluido in circuito primario 90 per mezzo di sensori 40;
- invio dei dati delle variabili rilevati dai sensori 40 ed elaborazione per mezzo di un’unità di controllo 60
- regolazione dell’elemento mobile 20 per mezzo di un attuatore 30 in funzione dello stato delle variabili fisiche in maniera tale da variare la sezione di passaggio del fluido all’interno della camera 14.
La fase di misurazione delle variabili fisiche del fluido può comprendere delle fasi di misurazione della portata Q1 di fluido nel circuito primario 90 e della portata Q2 di fluido nel circuito secondario 90, misurate da dei sensori 40 o misuratori di portata (massici o volumetrici) tra le aperture di ingresso e di uscita al separatore 10 dei rispettivi circuiti primario e secondario 90, 90’.
In una forma variante ulteriore, la fase di misurazione delle variabili fisiche del fluido può anche comprendere delle misurazioni del differenziale di temperatura ΔT1 del fluido nel circuito primario 90 e del differenziale di temperatura ΔT2 del fluido nel circuito secondario 90’, misurate da dei sensori 40 di temperatura tra le aperture di ingresso e di uscita al separatore idraulico 10 dei rispettivi circuiti primario e secondario 90, 90’.
In una ulteriore forma variante ancora, la fase di misurazione delle variabili fisiche del fluido può comprendere delle misurazioni del differenziale di pressione Δp1 del fluido del circuito primario 90 e del differenziale di pressione Δp2 del circuito secondario 90’, misurate da dei sensori 40 di pressione tra le aperture di ingresso e di uscita al separatore idraulico 10 dei rispettivi circuiti primario e secondario 90, 90’.
Dalla descrizione delle fasi del metodo 100 e dall’esempio di implementazione di seguito mediante un algoritmo si evince il funzionamento di seguito descritto.
Con riferimento particolare anche al diagramma di flusso o flow chart esemplificativo di figura 9, le fasi di misurazione e regolazione, del metodo 100 possono essere implementate in un elaboratore attraverso i passi di seguito descritti, comprendenti le fasi di:
- misurazione 102 di una grandezza fisica X relativa al fluido nel circuito primario 90;
- misurazione 104 di una grandezza fisica Y relativa al fluido nel circuito secondario 90’;
- confronto 106 dei valori X e Y e impostazione 108 del valore se X≥Y o impostazione 108’ del valore se Y>X;
- impostazione 110 del parametro Rmax relativo a un rapporto limite massimo R; - confronto 112 del valore di R è impostazione 112’ del comando di apertura dell’elemento mobile 20 a un valore A%=100 (apertura totale) se R =0;
- confronto 114 del valore di R è impostazione 114’ del comando di apertura dell’elemento mobile ad un valore A%=0 (chiusura) se R =1;
- impostazione 116 del comando di apertura dell’elemento mobile 20 a un valore pari ad , quando 0 ≠ R≠1.
Dalla nota equivalenza energetica tra portata Q di fluido e temperatura termodinamica T del fluido, espressa dall’equazione le fasi di misurazione 102 e 104 possono anche essere rispettivamente una misurazione del differenziale di temperatura ΔT1 del fluido nel circuito primario 90 e una misurazioni di temperatura ΔT2 del fluido nel circuito secondario 90’ misurate da dei sensori 40 di temperatura tra le aperture di ingresso e di uscita al separatore 10 dei rispettivi circuiti primario e secondario 90, 90’. La percentuale di apertura A% dell’elemento mobile 20 può essere proporzionale ad un angolo di rotazione dello stesso elemento mobile 20. A una luce di passaggio del fluido nella camera interna 14 etc. è generalmente proporzionale a una funziona matematica a rampa, come nel grafico di figura 8, dove l’apertura A% cresce proporzionalmente al valore di R fino al valore Rmax. Risulterà ovvio alla persona esperta del ramo come l’apertura A% dell’elemento 20 può essere una qualsiasi relazione matematica funzione di R.
Come si può rilevare da quanto precede, sono evidenti i vantaggi che il separatore idraulico 10 a dispersione termica limitata e il metodo 100 di regolazione della presente invenzione conseguono.
Il separatore idraulico 10 a dispersione termica limitata oggetto della presente invenzione risulta particolarmente vantaggioso perché consente la separazione idraulica di un impianto idronico per il riscaldamento e/o raffrescamento, consentendo nello stesso tempo un minor consumo di energia e un migliorato rendimento ed efficienza termica globale dell’impianto.
Il separatore idraulico 10 a dispersione termica limitata oggetto della presente invenzione risulta anche particolarmente vantaggioso perché consente di rendere il separatore idraulico 10 indipendente dalla posizione di montaggio verticale od orizzontale della parte oblunga, poiché l’elemento mobile 20 non è sensibile alla stratificazione di fluido a temperature diverse alle due estremità della camera 14 ed elimina l’insorgere di correnti rotatorie parassite che aumentano il rimescolamento tra fluido a temperature diverse aumentano la dispersione termica.
Il separatore idraulico 10 a dispersione termica limitata oggetto della presente invenzione risulta, inoltre, particolarmente vantaggioso perché consente di mettere a disposizione dell’utilizzatore un dispositivo in grado di integrarsi facilmente su moderni ed efficienti impianti idronici e termotecnici senza limitarne il salto termico disponibile e la conseguente quantità di calore scambiata tra la sorgente e l’utenza termica.
Benché l’invenzione sia stata sopra descritta con particolare riferimento ad alcune forme di realizzazione preferite, date a scopo esemplificativo e non limitativo, numerose modifiche e varianti appariranno evidenti a un tecnico esperto del ramo alla luce della descrizione sopra riportata. La presente invenzione, pertanto, intende abbracciare tutte le modifiche e le varianti che rientrano nello spirito e nell’ambito protettivo delle rivendicazioni che seguono.

Claims (17)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Un separatore idraulico (10) per impianti idronici per il riscaldamento e/o il raffrescamento, comprendente: - un corpo (11) cavo con un involucro (12) definente internamente una camera (14); - almeno due prime aperture (16, 16’) passanti, per la mandata di un fluido e almeno due seconde aperture (17, 17’) passanti, per il ritorno di un fluido, dette prime aperture (16, 16’) e dette seconde aperture (17, 17’) essendo ricavate su detto involucro (12) del corpo (11) essendo atte a porre in comunicazione di fluido detta camera (14) con mezzi di collegamento idraulico a circuiti esterni; caratterizzato dal fatto di comprendere almeno elemento mobile (20) atto separare detta camera (14) del corpo (11) in una prima porzione (14’) e una seconda porzione(14’’), in maniera tale da limitare la sezione trasversale di passaggio e di contatto di un fluido tra detta prima porzione (14’) e detta seconda porzione (14’’) e limitare la conduzione termica di calore.
  2. 2. Il separatore idraulico (10) secondo la rivendicazione 1, dove detto elemento mobile (20) è una valvola a farfalla (20’) girevolmente disposta all’interno della camera (14) per mezzo di un perno di rotazione (22).
  3. 3. Il separatore idraulico (10) secondo la rivendicazione 2, dove detta valvola a farfalla (20’) è atta a ruotare solidalmente con il perno di rotazione (22) girevolmente alloggiato per mezzo di tradizionali supporti o boccole di rotazione disposti sul corpo (11).
  4. 4. Il separatore idraulico (10) secondo la rivendicazione 1, dove detto elemento mobile (20) può comprendere due o più parti mobili (20’’) o battenti, girevolmente incernierate rispetto al corpo (11) per mezzo di rispettivi perni di rotazione (22).
  5. 5. Il separatore idraulico (10) secondo la rivendicazione 1, dove detto elemento mobile (20) è mantenuto in una posizione stabile per mezzo di tradizionali elementi elastici di richiamo, tipo molle di compressione o molle di torsione.
  6. 6. Il separatore idraulico (10) secondo la rivendicazione 1, dove detto elemento mobile (20) comprende una membrana (70) deformabile, con un’apertura (72) normalmente chiusa.
  7. 7. Il separatore idraulico (10) secondo la rivendicazione 2, dove detto elemento mobile (20) è azionato per mezzo di un attuatore (30) lineare o rotazionale, tipo servomeccanismo elettromeccanico, elettrico o fluidico, detto attuatore (30) essendo collegato e comandato per mezzo di detta unità di controllo (40).
  8. 8. Il separatore idraulico (10) secondo la rivendicazione 1, dove detto elemento mobile (20) è realizzato in materiale isolante a bassa conducibilità termica, come materiali plastici polimerici o termo-polimeri o altri materiali equivalenti.
  9. 9. Il separatore idraulico (10) secondo la rivendicazione 1, comprendente una molteplicità di sensori (40) o trasduttori elettrici o elettronici, disposti in corrispondenza di dette prime aperture (16, 16’) o di dette seconde aperture (17, 17’), detti sensori (40) essendo collegabili ad un’unità di controllo (60) e detti sensori (40) essendo atti a misurare una grandezza fisica del fluido.
  10. 10. Il separatore idraulico (10) secondo la rivendicazione 9, dove detti sensori (40) sono dei sensori di pressione.
  11. 11. Il separatore idraulico (10) secondo la rivendicazione 9, dove detti sensori (40) sono dei sensori di temperatura termodinamica.
  12. 12. Il separatore idraulico (10) secondo la rivendicazione 9, dove detti sensori (40) sono dei sensori massici o volumetrici di portata di fluido.
  13. 13. Il separatore idraulico (10) secondo la rivendicazione 9, dove una misurazione effettuata da detti sensori (40) corrisponde un segnale elaborato dall’unità di controllo (60) e tale da comandare l’apertura di detto elemento mobile (20).
  14. 14. Metodo (100) per la regolazione di impianti idronici per il riscaldamento e/o il raffrescamento comprendente le fasi di: fornire un separatore idraulico (10) comprendente un corpo (11) cavo con un involucro (12) definente internamente una camera (14); - fornire un fluido in mandata attraverso almeno due prime aperture (16, 16’) del corpo (11) e in ritorno attraverso almeno due seconde aperture (17, 17’) del corpo (11), dette prime aperture (16, 16’) e dette seconde aperture (17’, 17) essendo atte a porre in comunicazione di fluido una camera (14) del corpo (11) con mezzi di collegamento idraulico ad uno o più circuiti esterni; - separazione di detta camera interna (14) per mezzo di almeno elemento mobile (20), termicamente isolante, in una prima porzione (14’) e una seconda porzione(14’’), - regolazione per mezzo di detto elemento mobile (20) della sezione trasversale di apertura e di contatto termico in funzione del passaggio di un fluido tra detta prima porzione (14’) e detta seconda porzione (14’’) in maniera tale da limitare la conduzione termica di calore fra le stesse prima e seconda porzione (14’, 14’’) della camera (14).
  15. 15. Il Metodo (100) secondo la rivendicazione 14, dove la fase di regolazione comprende ulteriormente le fasi di: - misurazione (102) di variabili fisiche del fluido di passaggio tra le prime aperture (16, 16’) e le seconde aperture (17, 17’) del corpo (11) relativa al fluido in circuito primario (90) per mezzo di sensori (40); - invio dei dati delle variabili rilevati dai sensori (40) ed elaborazione per mezzo di un’unità di controllo 60 - regolazione dell’elemento mobile (20) per mezzo di un attuatore (30) in funzione dello stato delle variabili fisiche in maniera tale da variare la sezione di passaggio del fluido all’interno della camera (14).
  16. 16. Il metodo (100) secondo la rivendicazione (14), dove le fasi di misurazione (102, 104) sono rispettivamente una misurazione del differenziale di pressione del fluido del circuito primario (90) e una misurazione del differenziale di pressione del circuito secondario (90’), misurate da dei sensori (40) di pressione tra le aperture di ingresso e di uscita al separatore idraulico (10) dei rispettivi circuiti primario e secondario (90, 90’).
  17. 17. Il metodo (100) secondo la rivendicazione 14, dove le fasi di misura (102, 104) sono una misurazione del differenziale di temperatura del fluido nel circuito primario (90) e una misurazioni di temperatura del fluido nel circuito secondario (90’) misurate da dei sensori (40) di temperatura tra le aperture di ingresso e di uscita al separatore idraulico (10) dei rispettivi circuiti primario e secondario (90, 90’).
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