ITPD20090298A1 - Dispositivo di riscaldamento a ciclo termodinamico irreversibile per impianti di riscaldamento ad alta temperatura di mandata - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo

DISPOSITIVO DI RISCALDAMENTO A CICLO TERMODINAMICO IRREVERSIBILE PER IMPIANTI DI RISCALDAMENTO AD ALTA TEMPERATURA DI MANDATA CAMPO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione rientra nel campo della realizzazione di dispositivi di riscaldamento per il riscaldamento di ambienti. In particolare la presente invenzione ha per oggetto un dispositivo di riscaldamento a ciclo termodinamico irreversibile per impianti di riscaldamento ad alta temperatura di mandata (superiore a 80 °C). Il dispositivo secondo l’invenzione si contraddistingue per gli elevati coefficienti di prestazione raggiungibili (superiori a 3-4) e conseguentemente per l’elevato risparmio energetico.

STATO DELLA TECNICA

Per il riscaldamento di ambienti à ̈ largamente noto l’impiego di dispositivi noti con il nome di “pompe di calore†. Tali dispositivi si basano sul principio di sottrarre energia termica da una sorgente a più bassa temperatura (detta anche sorgente fredda) per trasferirlo ad una sorgente a più alta temperatura (detta anche sorgente calda). Il trasferimento di energia viene realizzato attraverso la circolazione di un fluido operativo in un circuito comprendente un evaporatore, un compressore, collegato in uscita all’evaporatore, un condensatore in serie al compressore e mezzi di espansione collegati fra il condensatore e l’evaporatore.

E’ altrettanto noto che le pompe di calore possono essere della tipologia aria-acqua, aria-aria o ancora acqua-acqua. Nel caso delle pompe aria-aria e aria-acqua la sorgente fredda à ̈ rappresentata dall’aria esterna all’ambiente da climatizzare, mentre nel caso delle pompe acqua-acqua la sorgente fredda à ̈ costituita da un flusso d’acqua ad esempio di falda o scorrevole in profondità (flusso geotermico). Nel primo caso dell’acqua di falda la temperatura della sorgente si mantiene generalmente compresa in un intervallo fra i 7 e 12 C° durante tutto l’anno, mentre nel caso dell’acqua di profondità la temperatura può arrivare fino ai 14-15 °C. Le pompe di calore della tipologia acqua-acqua, a parità di condizioni operative, presentano coefficienti di prestazione (COP) superiori rispetto alle pompe aria-aria o aria-acqua.

Nel caso di una sorgente fredda costituita da acqua di falda, attraverso le pompe di calore tradizionali si arriva ad ottenere una temperatura di mandata dell’acqua massima (ovvero della sorgente calda) intorno ai 65° C.

Si à ̈ visto che nella maggior parte dei casi, le soluzioni tecniche attuali consentono di ottenere una elevata temperatura di mandata a scapito però del coefficiente di prestazione. In altre parole la quasi totalità delle soluzioni tecniche attualmente presenti sul mercato non consentono elevate temperature di mandata (cioà ̈ sopra i 65 °C) e al contempo elevati coefficienti di prestazione (cioà ̈ al di sopra del 3).

Per cercare di ovviare almeno in parte a questo inconveniente, à ̈ possibile realizzare pompe di calore “a doppio stadio†. Con riferimento alla schematizzazione di figura 1, tali dispositivi comprendono un primo e un secondo circuito i quali sono attraversati da corrispondenti fluidi operativi. Un primo circuito, detto di bassa temperatura (BASSA), assorbe energia termica da un flusso di acqua solitamente di origine geotermica (Hgeo) per evaporare in un evaporatore (E1) un primo fluido operativo (R1). Questo ultimo viene compresso attraverso un compressore (C1) e successivamente condensato in uno scambiatore di calore (T1). Successivamente viene espanso attraverso una valvola di espansione (V1) per essere riportato all’evaporatore (E1).

Attraverso lo scambiatore di calore (T), l’energia termica di condensazione viene impiegata per evaporare un secondo fluido operativo (R2) circolante nel secondo circuito operativo detto anche di alta temperatura (ALTA). In altre parole lo scambiatore di calore (T) funge da condensatore per il fluido operativo del circuito di bassa temperatura e da evaporatore per quello relativo al circuito di alta temperatura. Analogamente a quello di bassa, anche il circuito di alta temperatura comprende un compressore (C2) e una valvola di espansione (V2) fra i quali à ̈ predisposto un condensatore (T2) per la condensazione del secondo fluido operativo. Il calore latente di condensazione del secondo fluido (R2) viene trasferito ad un flusso di acqua di mandata ovvero destinata ad essere impiegata come acqua di riscaldamento o in alternativa come acqua ad uso sanitario.

La figura 2 illustra, in un diagramma entalpia- pressione (H-P), i cicli termodinamici (ABCD - A’B’C’D’) realizzati dai due fluidi operativi che attraversano i due circuiti illustrati in figura 1. Nel diagramma di figura 1 sono riportate temperature di processo relative ad una situazione operativa raggiungibile con questa tipologia di dispositivi. Considerando, ad esempio come fluido operativo per il circuito di bassa temperatura il fluido R600 allora le relative temperature di evaporazione (Te1) e condensazione (Tc1) possono considerarsi, per esempio, 10°C e 42°C rispettivamente per una pressione di condensazione ed evaporazione rispettivamente a 1,5 bar e 4 bar; Considerando invece per il secondo circuito operativo il fluido R600 le temperature di evaporazione (Te2) e di condensazione (Tc2) sono stabilite a 40°C e 87°C per rispettive pressioni corrispondenti a 3,8 bar e 11,8 bar. Ovviamente i valori delle pressioni e delle temperatura variano in funzione della tipologia di fluido operativo impiegato e pertanto i valori indicati esemplificano una possibile e conosciuta modalità operativa.

Sempre dal diagramma di figura 2, si osserva che le espansioni (fasi A-D e A’-D’) dei due fluido operativi avvengono una volta raggiunta la completa condensazione ovvero quando il corrispondente fluido presenta un titolo di vapore pari a 0. In particolare tali espansioni attraverso le valvole di laminazione V1e V2 si configurano come trasformazioni sostanzialmente iso-entalpiche che portano ad una contemporanea diminuzione della temperatura e della pressione del fluido operativo. Le fasi di compressione (B-C e B’-C’) determinano in sostanza l’energia elettrica che viene assorbita dalla pompa di calore a doppio stadio per realizzare i cicli termodinamici. Tale energia elettrica influisce direttamente sul calcolo del coefficiente di prestazione (COP).

La soluzione appena sopra descritta e più in generale le pompe di calore a doppio stadio così concepite, pur consentendo di raggiungere temperature di mandata più alte rispetto alle pompe a singolo stadio presentano coefficienti di prestazione molto più bassi. Anche nel caso di utilizzo di acqua proveniente da sorgenti geotermiche con temperature superiori ai 30°C si osserva che per queste macchine termiche raramente il coefficiente di prestazione raggiunge valori superiori a 3. In altre parole per questa tipologia di dispositivi difficilmente si raggiungono alte prestazioni e bassi consumi energetici che ne giustifichino l’impiego e il maggior contenuto tecnologico. Pertanto in base a queste considerazioni, scopo precipuo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un dispositivo di riscaldamento che consenta di superare gli inconvenienti che attualmente accompagnano le pompe di calore a singolo e a doppio stadio usate per il riscaldamento di acqua ad uso riscaldamento ambientale e sanitario. Nell’ambito di questo compito uno scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un dispositivo di riscaldamento che consenta un elevato coefficiente di prestazione e al contempo una elevata temperatura di mandata (al di sopra degli 80 °C) dell’acqua destinata ad un impianto di riscaldamento e/o ad uso sanitario anche in presenza di una sorgente fredda costituita da acqua di falda. Altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un impianto di riscaldamento che sia affidabile e di facile realizzazione a costi competitivi.

SOMMARIO

La presente invenzione à ̈ relativa ad una dispositivo di riscaldamento a ciclo termodinamico irreversibile comprendente un primo circuito operativo, di bassa temperatura, per la circolazione di un primo fluido operativo. Tale primo circuito comprende mezzi di evaporazione del primo fluido operativo predisposti per scambiare energia termica con un flusso di acqua di alimentazione (di falda o di origine geotermica) allo scopo di sottrarne l’energia termica necessaria all’evaporazione. Il primo circuito comprende altresì mezzi di compressione, mezzi di condensazione e mezzi di espansione del primo fluido operativo. Il dispositivo secondo l’invenzione comprende anche un secondo circuito operativo, di alta temperatura, per la circolazione di un secondo fluido operativo. Tale secondo circuito comprende mezzi di evaporazione del secondo fluido i quali realizzano l’evaporazione dello stesso attraverso l’energia termica derivante dalla condensazione del fluido operativo circolante nel circuito di bassa temperatura. Il secondo circuito operativo comprende inoltre mezzi di compressione per la compressione del secondo fluido operativo in seguito alla sua evaporazione e mezzi di condensazione per condensare lo stesso secondo fluido in seguito alla sua compressione. Tali mezzi di condensazione del secondo fluido scambiano energia termica con un flusso di acqua di mandata per consentirne il riscaldamento. Il secondo circuito operativo à ̈ fornito inoltre di mezzi di espansione del secondo fluido. Il dispositivo di riscaldamento secondo l’invenzione à ̈ caratterizzato dal fatto che almeno uno di detti circuiti operativi comprende mezzi di raffreddamento operativamente predisposti fra i corrispondenti mezzi di condensazione e i corrispondenti mezzi di condensazione. Tali mezzi di raffreddamento scambiano energia termica con il flusso di acqua di alimentazione in modo da riscaldare questo ultimo raffreddando il corrispondente fluido operativo del relativo circuito operativo. In particolare il flusso di alimentazione viene riscaldato prima che lo stesso ceda la propria energia termica ai mezzi di evaporazione del primo fluido. Tale soluzione tecnica consente in pratica di aumentare l’energia termica del flusso d’acqua ovvero di ottenere valori del coefficiente di prestazione (COP) più elevati. L’impiego di fluidi di lavoro ottimali per il riscaldamento rende all’atto pratico irreversibili i cicli termodinamici alto e basso. Tuttavia tale irreversibilità del ciclo consente vantaggiosamente di ottenere coefficienti di prestazione (COP) superiori a 3-4 con una temperatura di set-point anche superiore agli 85 °C, intendendo indicare con questa espressione la temperatura del flusso d’acqua in mandata.

Secondo un primo aspetto della presente invenzione, i mezzi di raffreddamento sono operativamente predisposti fra i mezzi di condensazione e i mezzi di evaporazione del secondo fluido. Questa soluzione consente di recuperare un’elevata energia termica e conseguentemente di aumentare l’entalpia del primo fluido operativo impiegabile per l’evaporazione del secondo fluido operativo del circuito di alta temperatura.

Secondo una soluzione preferita dell’invenzione, il dispositivo secondo l’invenzione comprende vantaggiosamente una unità operativa di raffreddamento e condensazione operativamente predisposta fra i mezzi di condensazione e i mezzi di espansione del circuito di bassa temperatura. Tale unità operativa ha la funzione di raffreddare ulteriormente il primo fluido operativo oltre la temperatura di condensazione raffreddandolo fino a temperature di poco superiori a quella di evaporazione. L’unità operativa scambia energia termica con il flusso di acqua di alimentazione in modo tale da riscaldare questo ultima in parte con l’energia termica derivante dalla condensazione che viene realizzata all’interno della stessa unità e in parte con quella derivante dal raffreddamento del liquido condensato. Questa soluzione consente di incrementare ulteriormente il contenuto energetico del flusso di acqua ossia il coefficiente di prestazione del dispositivo di riscaldamento.

ELENCO DELLE FIGURE

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di forme di realizzazione, preferite ma non esclusive del dispositivo di riscaldamento a ciclo termodinamico irreversibile secondo la presente invenzione, illustrate a titolo esemplificativo e non limitativo con l’ausilio degli uniti disegni in cui:

- la figura 1 Ã ̈ uno schema relativo ad una pompa di calore a doppio stadio di tipo tradizionale;

- la figura 2 Ã ̈ relativa ad un diagramma entalpia-pressione (H-P) relativo alla pompa di calore a doppio stadio schematizzata in figura 1;

- la figura 3 Ã ̈ relativa ad uno schema di funzionamento di un dispositivo di riscaldamento secondo la presente invenzione;

- la figura 4 Ã ̈ un diagramma entalpia-pressione relativo al ciclo termodinamico irreversibile del dispositivo di riscaldamento di figura 3.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE

La figura 3 à ̈ una vista schematica di un dispositivo di riscaldamento 1 secondo la presente invenzione. Il dispositivo 1 comprende un primo circuito operativo 10 (di seguito indicato anche come circuito di bassa temperatura) all’interno del quale opera un primo fluido operativo R1. Il primo circuito operativo 10 comprende mezzi di evaporazione 11 del primo fluido operativo R1 (indicati di seguito anche con l’espressione primi mezzi di evaporazione 11). Tali mezzi 11 sono configurati per sottrarre energia termica da un flusso di acqua F di alimentazione che può essere, di falda o anche di origine geotermica. In termini di ciclo termodinamico, il flusso di acqua F di alimentazione rappresenta la sorgente fredda di scambio termico. Il primo circuito comprende inoltri mezzi di compressione 21 del primo fluido R1 (indicati di seguito anche con l’espressione primi mezzi di compressione 11) i quali ne realizzano la compressione in seguito all’evaporazione.

Il primo circuito 10 comprende primi mezzi di condensazione 31 del primo fluido operativo R1 (indicati di seguito anche con l’espressione primi mezzi di condensazione 31) per condensare lo stesso in seguito alla sua compressione. Mezzi di espansione 41 del primo fluido R1 (indicati di seguito anche con l’espressione primi mezzi di espansione 41) sono predisposti per riportare il livello di pressione dal valore in cui si realizza la condensazione del primo fluido R1 a quello in cui avviene la relativa evaporazione.

Il dispositivo di riscaldamento 1 in figura 3 comprende altresì un secondo circuito operativo 100 (di seguito indicato anche come circuito di alta temperatura) all’interno del quale opera un secondo fluido operativo R2. Il secondo circuito operativo comprende secondi mezzi di evaporazione 111 del secondo fluido R2 (indicati anche come secondi mezzi di evaporazione 111) i quali evaporano questo ultimo sfruttando l’energia termica derivante dalla condensazione del primo fluido R1 circolante nel circuito di bassa temperatura 10. Come più avanti meglio specificato, i secondi mezzi di evaporazione 111 e i primi mezzi di condensazione 31 sono preferibilmente integrati in un unico scambiatore di calore indicato con riferimento 50 in figura 3. In pratica attraverso questo scambiatore 50 l’energia di condensazione rilasciata per effetto della condensazione del primo fluido R1 viene trasferita direttamente al fluido R2 del circuito di alta temperatura per consentire l’evaporazione senza passaggi intermedi.

Il secondo circuito operativo 100 comprende altresì mezzi di compressione 121 del secondo fluido operativo R2 (indicati anche come secondi mezzi di compressione 121) per aumentare la pressione e surriscaldare lo stesso fluido in seguito alla relativa evaporazione ad opera dei secondi mezzi di evaporazione 111. Mezzi di condensazione 131 del secondo fluido R2 (indicati anche come secondi mezzi di condensazione 131) sono invece preposti per trasferire l’energia termica di condensazione (di seguito indicata anche come “calore latente di condensazione†) ad un flusso di acqua Hman “in mandata†volendo indicare con questa espressione, ad esempio, un flusso di acqua destinato ad una utenza per uso domestico o sanitario. Tale flusso di acqua in mandata Hman rappresenta la sorgente calda per il ciclo termodinamico relativo al dispositivo 1. Secondi mezzi di espansione 141 sono preposti per riportare il secondo fluido operativo R2 dalla relativa pressione di condensazione Pc2 a quella di evaporazione Pe2.

Secondo l’invenzione, almeno uno dei due circuiti operativi 10,100 del dispositivo di riscaldamento 1 comprende mezzi di raffreddamento 71 operativamente predisposti fra i corrispondenti mezzi di condensazione 31,131 e i corrispondenti mezzi di espansione 41,141 dello stesso circuito operativo 10,100. Tali mezzi di raffreddamento 71 hanno la funzione di raffreddare il fluido operativo R1, R2 in uscita dai mezzi di condensazione 31,131 e al contempo di riscaldare il flusso di acqua F destinato a cedere la propria energia termica al primo fluido operativo R1 attraverso i primi mezzi di evaporazione 11 del circuito di bassa temperatura 10. In altre parole tali mezzi di raffreddamento 71 hanno la funzione di sottrarre l’energia termica da almeno uno dei fluidi operativi R1,R2 sotto-raffreddando lo stesso attraverso e riscaldando il flusso di acqua di alimentazione F ovvero alla sorgente fredda del dispositivo di riscaldamento 1.

Con riferimento sempre alla vista schematica di figura 3, secondo una forma di realizzazione preferita dell’invenzione il dispositivo di riscaldamento 1 i mezzi di raffreddamento 71 sono operativamente predisposti fra i secondi mezzi di condensazione 131 e i secondi mezzi di espansione 141 del secondo circuito operativo 100 attraversato dal secondo fluido operativo R2. Secondo una possibile variante costruttiva non schematizzata nelle figure, il dispositivo 1 può comprendere ulteriori mezzi di mezzi di raffreddamento operativamente predisposti fra i primi mezzi di condensazione 31 e i primi mezzi di espansione 41 del primo circuito operativo 10 nel quale circola il primo fluido operativo R1.

I mezzi di raffreddamento 71, si configurano in sostanza come uno scambiatore di calore capace di trasferire parte dell’energia termica del secondo fluido R2 in uscita dai secondi mezzi di condensazione 131 al flusso di acqua F di alimentazione in modo da alzare il livello termico di questo ultimo. Poiché il coefficiente di prestazione (COP) dipende dalla differenza fra la temperatura della sorgente calda e della sorgente fredda, questa soluzione consente di fatto di ottenere COP superiori a quelli delle pompe di calore a doppio stadio tradizionali considerate a parità di altre condizioni operative.

La figura 4 illustra il ciclo termodinamico relativo ai due fluidi operativi R1 e R2 , in un diagramma entalpia-pressione 10,100 del dispositivo di riscaldamento 1 secondo lo schema in figura 3. Con riferimento al primo circuito operativo 10, i primi mezzi di evaporazione 31 realizzano l’evaporazione del primo fluido R1 sottraendo energia termica dal flusso d’acqua F di alimentazione. Tale evaporazione à ̈ indicata nel diagramma dalla trasformazione isobara 6→7 e avviene a livello di pressione Pe1 e ad una temperatura Te1 costante. In seguito alla completa evaporazione del primo fluido R1, questo ultimo viene compresso attraverso i primi mezzi di compressione 21 (trasformazione 1→2). Tale compressione determina un aumento della temperatura fino al valore T3 relativo al punto 2 del diagramma e un relativo aumento del livello di pressione (fino al valore Pc1) e del livello entalpico.

Il primo fluido R1 in uscita dai mezzi di compressione 21 raggiunge i primi mezzi di condensazione 31 per essere condensato alla relativa pressione di condensazione Pc1 e ad una temperatura di condensazione Tc1 costanti. Come evidente sempre da figura 4, il primo fluido R1 subisce dapprima un de-surriscaldamento (trasformazione 2→3) a pressione costante all’interno dei primi mezzi di condensazione 31 prima della condensazione. I secondi mezzi di evaporazione 111 del circuito 100 di alta temperatura realizzano l’evaporazione del secondo fluido operativo R2 sfruttando il calore latente di condensazione del primo fluido R1. Come già sopra indicato i primi mezzi di condensazione 31 e i secondi mezzi di evaporazione 111 sono preferibilmente fisicamente integrati in unico scambiatore di calore 50 che trasferisce direttamente l’energia termica ceduta dal primo fluido R1 al secondo fluido R2.

Al completamento dell’evaporazione del secondo fluido operativo R2, i secondi mezzi di compressione 121 aumentano la pressione dello stesso fluido allo stato vapore aumentandone la pressione e la temperatura (1’→2’). Successivamente il secondo fluido R2 surriscaldato attraversa i secondi mezzi di condensazione 131 nel quale si realizza, a pressione costante, prima un de-surriscaldamento del vapore (trasformazione 2’→3’) e successivamente la condensazione fino al raggiungimento del completo stato liquido (3’→4’). Attraverso i secondi mezzi di condensazione 131 il calore latente di condensazione viene trasferito termicamente al flusso di acqua in mandata Hman che subisce un corrispondente riscaldamento che vantaggiosamente può essere oltre gli 80 °C.

Al completamento della condensazione, il secondo fluido R2 allo stato liquido attraversa i secondi mezzi di raffreddamento 71 per essere ulteriormente raffreddato a pressione costante Pc2 (fase 4’→5’). Come sopra già indicato, i mezzi di raffreddamento 71 recuperano parte dell’energia termica residua presente nel secondo fluido R2 condensato riscaldando il flusso di acqua F di alimentazione ovvero la sorgente fredda. In seguito a questo raffreddamento post-condensazione, attraverso i secondi mezzi di espiazione 141, il secondo fluido operativo R2 allo stato liquido viene espanso iso-entalpicamente e sostanzialmente iso-termicamente fino alla pressione di evaporazione Pe2. In pratica il passaggio del fluido R2 all’interno dei secondi mezzi di espansione 141 determina solo una di diminuzione di pressione, ma non una variazione di temperatura in quanto durante questa trasformazione il fluido R2 si mantiene sempre allo stato liquido. In altre parole, differentemente dalle pompe di calore tradizionali, la fase di espansione non à ̈ accompagnata da una perdita di energia termica. Al contrario durante il sotto-raffreddamento del liquido R2, viene recuperata una quantità di entalpia (indicata con il rettangolo A in figura 4) che viene trasferita direttamente al fluido di alimentazione F. Ciò significa che viene aumentata la quantità di energia termica che può essere sottratta dallo stesso fluido di alimentazione F per evaporare il primo fluido operativo R1 del circuito di bassa temperatura. In accordo con gli scopi della presente invenzione, il riscaldamento del fluido di alimentazione F si traduce in un aumento della temperatura della sorgente fredda ovvero in un vantaggioso aumento del COP a parità di spesa energetica impiegata per la compressione dei due fluidi operativi R1,R2.

Secondo una forma di realizzazione preferita dell’invenzione, schematizzata in figura 3, il dispositivo di riscaldamento 1 comprende vantaggiosamente una unità di raffreddamento e condensazione 72 operativamente predisposta fra i mezzi di condensazione 31 e i mezzi di espansione 41 del primo fluido operativo R1. Tale unità 72 ha la funzione di completare la condensazione del primo fluido operativo R1 e successivamente di sotto-raffreddare lo stesso. In altre parole secondo questa forma di realizzazione, i primi mezzi di condensazione 31 sono configurati in modo tale da realizzare solo una trasformazione di stato solo parziale (3→4a) del primo fluido operativo R1.

Analogamente a quanto previsto per i mezzi di raffreddamento 71, l’unità di raffreddamento e condensazione 72 secondo l’invenzione scambia energia termica con il flusso di acqua F di alimentazione in modo da incrementarne la temperatura prima che lo stesso flusso ceda la propria energia termica nei mezzi di evaporazione 11 del circuito di bassa temperatura 10. In pratica attraverso l’unità 72 parte dell’energia termica (indicato con la lettera C nel diagramma di figura 4) derivante dalla condensazione del fluido R1 viene recuperato e trasferito al flusso di acqua di alimentazione F. Questa soluzione consente in pratica di sfruttare positivamente una quantità di energia termica di condensazione che altrimenti sarebbe persa come avviene nelle pompe tradizionali a doppio stadio. Infatti dal diagramma di figura 2, si osserva che a causa della forma a “campana†del diagramma liquido-vapore la quantità di energia derivante dalla condensazione del fluido di bassa temperatura (R1) à ̈ superiore a quella che effettivamente può essere assorbita dal fluido (R2) di alta temperatura. Conseguentemente nelle soluzioni tradizionali una parte dell’energia termica di condensazione viene sostanzialmente persa, in quanto non assorbibile dal fluido R2 di alta temperatura. Differentemente nel dispositivo 1 in figura 3 l’energia non ricevibile dal secondo fluido R2 viene vantaggiosamente impiegata per riscaldare la sorgente fredda (flusso di acqua F di alimentazione) a vantaggio di un aumento del COP.

Una volta completata la condensazione del primo fluido R1, l’unità operativa 72 raffredda ulteriormente lo stesso fluido R1 similmente a quanto realizzato dai mezzi di raffreddamento 71 predisposti nel circuito di alta temperatura 100. Attraverso questo sotto-raffreddamento del primo liquido R1 viene recuperata una ulteriore quantità di energia termica (indicata nel diagramma di figura 4 con la lettera B). Anche questa ulteriore energia termica viene vantaggiosamente trasferita alla sorgente fredda (flusso di acqua F) in modo da accrescerne il contenuto energetico.

In base a quanto appena descritto dunque il flusso di acqua F subisce quindi un primo e un secondo riscaldamento rispettivamente attraverso lo scambio termico con i mezzi di raffreddamento 71 del circuito di alta temperatura 100 e con l’unità di raffreddamento e condensazione 72 inserita nel circuito di bassa temperatura 10. Secondo una prima modalità impiantistica, la circolazione del flusso di acqua F à ̈ configurata in modo tale per cui lo stesso fluido F venga dapprima riscaldato dall’unità di raffreddamento e condensazione 72 e successivamente dai mezzi di raffreddamento 71 del circuito di alta temperatura 100.

I primi mezzi 21 e/o i secondi di compressione 121 possono essere costituiti da compressori volumetrici delle tipologie normalmente impiegate per la realizzazione delle pompe di calore tradizionali o da altri mezzi funzionalmente equivalenti. A tal proposito secondo una forma di realizzazione preferita, i mezzi di compressione 21 del primo fluido R1 e/o quelli di compressione 121 del secondo fluido R2 sono configurati in modo tale da scambiare energia termica con il flusso di acqua F di alimentazione prima che lo stesso raggiunga operativamente i mezzi di evaporazione 11 del circuito di bassa temperatura 10. Questa soluzione consente vantaggiosamente di contenere il surriscaldamento dei lubrificanti impiegati per il funzionamento delle parti meccaniche dei compressori volumetrici al fine di migliorare l’affidabilità e la durata degli stessi. Infatti ipotizzando di impostare una temperatura di set point del dispositivo intorno agli 85 °C, à ̈ necessario che la temperatura di condensazione sia intorno agli 87- 88 °C il che significa avere un surriscaldamento in seguito alla compressione più alto (a seconda del fluido refrigerante impiegato si può arrivare anche a 160 °C). Tuttavia in regime di funzionamento gli attriti interni delle parti meccaniche che compongono i compressori volumetrici possono raggiungere anche i 150 °C. Tale temperatura à ̈ ovviamente pericolosa per l’integrità dei lubrificanti impiegati e dunque per l’affidabilità della macchina. Attraverso la soluzione in figura 3, la temperatura di surriscaldamento può rimanere confinata in un intervallo accettabile. Si osserva che l’energia termica sottratta dai mezzi di compressione 21,121 incrementa ulteriormente il livello termico del flusso di acqua F contribuendo all’ottenimento di alti valori di COP (superiori a 3).

Con riferimento sempre allo schema di figura 3, il dispositivo di riscaldamento secondo l’invenzione può comprendere anche un collettore di mandata 81 e un collettore di ritorno 82 del flusso di alimentazione F. In particolare secondo questa modalità impiantistica, flusso F, di falda o di origine geotermica, entra nel collettore di mandata 82 per poi essere canalizzato verso i componenti del circuito che ne consentono il riscaldamento secondo quando sopra descritto. In particolare un primo flusso F1 viene riscaldato dall’unità operativa 72 di raffreddamento e condensazione, un secondo flusso F2 viene riscaldato dai mezzi di raffreddamento 71 del circuito di alta temperatura 100, un terzo flusso F3 viene riscaldato dai mezzi di compressione 21 del primo fluido R1 e un quarto flusso F4 viene riscaldato dai mezzi di compressione del secondo fluido R2. Tali flussi F1,F2,F3,F4 sono raccolti nel collettore di ritorno 82. Da questo ultimo il flusso F viene inviato ai mezzi di evaporazione 11 del circuito di bassa temperatura 10 nel quale si realizza l’evaporazione del primo fluido operativo R1 secondo la modalità sopra indicata.

In una prima possibile modalità operativa i due fluidi operativi R1, R2 possono essere della stessa tipologia e in particolare possono presentare la stessa densità. Tuttavia le soluzioni tecniche sopra adottate consentono vantaggiosamente di impiegare fluidi operativi con densità diverse e in particolare consentono di impiegare un fluido R2 nel circuito di alta temperatura 100 avente densità inferiore rispetto al fluido circolante nel circuito di bassa temperatura 10. Infatti la maggior entalpia resa disponibile, rispetto alle soluzioni tradizionali, per il secondo fluido R2 consente di ridurne la portata di massa necessaria. Ciò consente, ad esempio, di ridurre i consumi connessi alla compressione del secondo fluido R2. Secondo una ulteriore possibile modalità di funzionamento, come fluido operativo R2 circolante nel circuito di alta temperatura 100 può essere impiegata una soluzione acquosa (o anche sola acqua) viste le condizioni di pressione e temperatura che accompagnano il funzionamento del circuito di alta temperatura 100.

Le soluzioni adottate per il dispositivo di riscaldamento secondo l’invenzione consentono di assolvere pienamente il compito e gli scopi prefissati. In particolare il dispositivo secondo l’invenzione consente di ottenere elevati coefficienti di prestazione (COP) con ovvi vantaggi in termini di spesa energetica. In altre parole il dispositivo secondo l’invenzione consente di ottenere una alta temperatura di setpoint con una bassa spesa energetica del sistema.

Il dispositivo così concepito à ̈ suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri tecnicamente equivalenti.

In pratica, i materiali impiegati nonché le dimensioni e le forme contingenti, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze e lo stato della tecnica.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1) Dispositivo di riscaldamento (1) a ciclo termodinamico irreversibile, comprendente: - un primo circuito (10) per la circolazione di un primo fluido operativo (R1), detto primo circuito (10) comprendendo: mezzi di evaporazione (11) di detto primo fluido operativo (R1), detti mezzi di evaporazione (11) sottraendo energia termica ad un flusso di acqua di alimentazione (F) per evaporare detto primo fluido operativo (R1); mezzi di compressione (21) di detto primo fluido operativo (R1) i quali comprimono detto primo fluido (R1) in seguito alla sua evaporazione, mezzi di condensazione (31) di detto primo fluido operativo (R1) i quali condensano detto primo fluido (R1) in seguito alla sua compressione; mezzi di espansione (41) di detto fluido operativo (R1); − un secondo circuito (100) per la circolazione di un secondo fluido operativo (R2), detto secondo circuito (100) comprendendo: mezzi di evaporazione (111) di detto secondo fluido (R2) i quali realizzano l’evaporazione di detto secondo fluido (R2) attraverso l’energia termica derivante dalla condensazione di detto primo fluido (R1) di detto primo circuito (10); mezzi di compressione (121) di detto secondo fluido (R2) i quali comprimono detto secondo fluido operativo (R2) in seguito alla sua evaporazione; mezzi di condensazione (131) di detto secondo fluido (R2) i quali condensano detto secondo fluido operativo (R2) in seguito alla sua compressione, detti mezzi di condensazione (131) di detto secondo fluido (R2) riscaldando un flusso di acqua di mandata (Hman) attraverso l’energia termica derivante da detta condensazione di detto secondo fluido (R2); mezzi di espansione (141) di detto secondo fluido operativo (R2); caratterizzato dal fatto che almeno uno di detti circuiti (10,100) comprende mezzi di raffreddamento (71) operativamente predisposti fra i corrispondenti mezzi di condensazione (31,131) e i corrispondenti mezzi di espansione (41,141) di detto almeno uno di detti circuiti (10,100), detti mezzi di raffreddamento (71) raffreddando il relativo fluido operativo (R1,R2) di detto almeno uno di detto circuiti operativi (10,200) e riscaldando detto flusso di acqua di alimentazione (F) prima che detti mezzi di evaporazione (11) di detto primo fluido (R1) sottraggano energia termica dallo stesso flusso di acqua di alimentazione (F).
2. 2) Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di raffreddamento (71) sono operativamente predisposti fra detti mezzi di condensazione (131) e detti mezzi di espansione (141) di detto secondo fluido (R2) in modo da raffreddare detto secondo fluido (R2) in seguito alla sua condensazione e in modo da riscaldare detto flusso di acqua (F) di alimentazione prima che detti mezzi di evaporazione (11) di detto primo fluido (R1) sottraggano energia termica allo stesso flusso di acqua di alimentazione (F).
3. 3) Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 2, in cui detto dispositivo (1) comprende ulteriori mezzi di raffreddamento operativamente predisposti fra detti mezzi di condensazione (31) e detti mezzi di espansione (41) di detto primo fluido (R1) in modo da raffreddare detto primo fluido (R1) in seguito alla sua condensazione e in modo da riscaldare detto flusso di acqua (F) di alimentazione prima che detti mezzi di evaporazione (11) di detto primo fluido (R1) sottraggano energia termica allo stesso flusso di acqua di alimentazione (F).
4. 4) Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 2, in cui detti mezzi di condensazione (31) di detto primo fluido (R1) realizzano una condensazione parziale di detto primo fluido (R1), detto dispositivo (1) comprendendo una unità di raffreddamento e condensazione (72) operativamente predisposta fra detti mezzi di condensazione (31) e detti mezzi di espansione (41) di detto primo fluido (R1), detta unità di raffreddamento e condensazione (72) completando detta condensazione di detto primo fluido operativo (R1) e raffreddando ulteriormente lo stesso fluido (R1) in seguito alla sua completa condensazione, detta unità di raffreddamento e condensazione (72) scambiando energia termica con detto flusso di alimentazione (F) in modo da riscaldare lo stesso flusso (F) prima che detti mezzi di evaporazione (11) di detto primo fluido (R1) sottraggano energia termica allo stesso flusso di acqua di alimentazione (F).
5. 5) Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 4, in cui detto flusso di acqua (F) viene riscaldato prima da detta unità di raffreddamento e condensazione (72) di detto primo fluido (R1) e successivamente da detti mezzi di raffreddamento (71) di detto secondo fluido (R2).
6. 6) Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui detti mezzi di compressione (21,121) di detto primo (R1) e/o detto secondo fluido (R2) sono configurati in modo tale da scambiare energia termica con detto flusso di acqua di alimentazione (F) per risaldarlo prima che lo stesso ceda energia termica a detti mezzi di evaporazione (11).
7. 7) Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 6, in cui detto secondo fluido operativo (R2) presenta una densità inferiore a detto primo fluido operativo (R1).
8. 8) Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 6, in cui detto secondo fluido operativo (R2) circolante in detto secondo circuito operativo (100) à ̈ una soluzione acquosa o anche sola acqua.
9. 9) Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 8, in cui detti mezzi di evaporazione (111) di detto secondo fluido (R2) e detti mezzi di condensazione (31) di detto primo fluido (R1) sono integrati in uno stesso scambiatore di calore (50) in modo tale che l’energia termica derivante dalla condensazione del primo fluido (R1) sia trasferita direttamente al secondo fluido (R2) senza passaggi intermedi.
10. 10) Impianto di riscaldamento, caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo di riscaldamento (1) secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 9.