ITPD20130166A1 - Apparato di refrigerazione - Google Patents

Description

APPARATO DI REFRIGERAZIONE

La presente invenzione ha per oggetto un apparato per il trattamento di un gas, in particolare destinato ad abbassare il contenuto di umidità in un flusso di aria compressa umida, comprendente una valvola attuata elettricamente.

Nell’ambito degli impianti tecnici per il trattamento dei gas compressi à ̈ noto l’utilizzo di circuiti frigoriferi destinati ad abbassare la temperatura del gas allo scopo di realizzarne la separazione dalla loro componente umida.

Tali circuiti frigoriferi tipicamente comprendono un compressore, un condensatore, un organo di laminazione ed un evaporatore che scambia calore con il fluido da trattare allo scopo di abbassarne la temperatura.

Nei circuiti frigoriferi utilizzati in impianti di essiccazione di aria umida, à ̈ desiderabile controllare la quantità di calore scambiata dal circuito frigorifero in base alla temperatura ed alla portata dell’aria da essiccare in ingresso. D’altra parte, à ̈ facilmente comprensibile che in tali applicazioni i parametri dell’aria da trattare possano essere facilmente variabili in base alle condizioni di lavoro o nell’arco della giornata.

I circuiti frigoriferi, che sono tipicamente dimensionati in funzione del massimo carico richiesto, scambieranno un’eccessiva quantità di calore quando l’impianto opera a carico ridotto.

Tale eccessivo scambio termico comporta principalmente due svantaggi, rappresentati da un eccessivo abbassamento di temperatura nel gas da trattare e, parallelamente, da uno spreco energetico dovuto al fatto che il lavoro del compressore non viene conseguentemente ridotto. A tale proposito, deve essere anche compreso che in tali tipologie di impianto non à ̈ possibile variare liberamente i parametri operativi, quali ad esempio l’aumento di pressione operato dal compressore o gli scambi termici che avvengono nel condensatore e nell’evaporatore, ma questi sono definiti dalle caratteristiche di progetto dell’impianto. Inoltre, non à ̈ nemmeno possibile spegnere e ri-accendere il compressore a brevi intervalli, essendo richiesto un intervallo di tempo non trascurabile dopo l’arresto e la successiva ri-partenza del compressore.

Uno dei modi utilizzati per una regolazione del carico termico prodotto dall'essiccatore in funzione della domanda di aria compressa essiccata consiste nel prevedere una perdita di carico nel fluido frigorifero a monte del compressore.

A tale scopo, viene utilizzato un ramo di by-pass dotato di un organo di laminazione verso il quale il fluido refrigerante viene deviato a seguito della commutazione di una apposita valvola. Tali sistemi sono tipicamente provvisti di un’unità di controllo che attiva il ramo di by-pass al raggiungimento di predeterminate condizioni, ad esempio di temperatura, consentendo quindi all’impianto di operare in una condizione di massimo raffreddamento oppure in una condizione di raffreddamento relativamente ridotto. tuttavia, l'utilizzo di tali rami di by-pass aumenta la complessità del circuito e, di conseguenza, anche gli ingombri complessivi dello stesso.

Inoltre, la perdita carico introdotta nel ramo di by-pass non sempre à ̈ controllabile in maniera precisa non consentendo pertanto una accurata gestione della capacità frigorifera dell'impianto, in quanto il processo produttivo di realizzazione del complesso valvola-capillare presenta delle difficoltà intrinseche di realizzazione.

Il problema tecnico alla base della presente invenzione à ̈ quello di fornire un apparato per l’essiccazione di gas strutturalmente e funzionalmente concepito così da consentire di ovviare agli svantaggi sopra menzionati con riferimento alla tecnica nota.

Tale problema à ̈ risolto dall’apparto secondo la rivendicazione 1.

La presente invenzione presenta alcuni rilevanti vantaggi. Il vantaggio principale consiste nel fatto che l’apparato secondo la presente invenzione consente di controllare la temperatura del gas da trattare, conseguendo al tempo stesso una riduzione dei consumi energetici, senza richiedere componenti aggiuntivi rispetto agli impianti noti costruttivamente complessi o costosi.

In aggiunta la realizzazione della presente invenzione, Ã ̈ industrialmente semplice e consente di ottenere affidabilmente e a costi ragionevoli una precisa parzializzazione della resa frigorifera.

Altri vantaggi, caratteristiche e le modalità d’impiego della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di alcune forme di realizzazione, presentate a scopo esemplificativo e non limitativo. Verrà fatto riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:

le figure 1A ed 1B sono rispettivamente un vista prospettica ed una vista laterale che illustrano un dispositivo di essiccazione di gas umido utilizzato in associazione all’apparato per la refrigerazione di un fluido di processo secondo la presente invenzione; la figura 2 à ̈ un’illustrazione schematica di un apparato per la refrigerazione di un fluido di processo e del dispositivo di essiccazione ad esso associato secondo la presente invenzione;

la figura 3 à ̈ un grafico che riporta un valore di temperatura del gas da trattare in funzione del tempo e che illustra il funzionamento dell’apparato secondo la presente invenzione; e

la figura 4 à ̈ un’illustrazione schematica di una seconda forma di realizzazione dell’apparato per la refrigerazione di un fluido di processo secondo la presente invenzione.

Con riferimento inizialmente alla figura 1, un apparato per la refrigerazione di un fluido di processo à ̈ indicato schematicamente nel suo complesso con il numero 100, ed à ̈ destinato ad essere utilizzato in associazione con un dispositivo essiccatore 10 per il trattamento di gas compresso da deumidificare.

Il dispositivo essiccatore 10 comprende un ingresso 101 ed un'uscita 102 dell'aria o di altro fluido da trattare.

Il dispositivo 10 comprende uno scambiatore di calore 11, nel quale l'aria scambia calore con un fluido di processo proveniente dall'apparato 100. Preferibilmente lo scambio termico tra i due flussi del fluido di processo e del gas da trattare avviene in controcorrente. Si noti inoltre che lo scambiatore di calore formerà una parte comune con l'apparato 100, in cui, a seguito dello scambio termico tra gas da trattare e fluido di processo svolge la funzione di un evaporatore, indicato con il numero di riferimento 4. All'uscita dallo scambiatore il gas sarà quindi raffreddato portandolo al punto di rugiada richiesto, per essere inviato ad un separatore di condensa 12, nel quale viene separata la componente umida presente nel gas da trattare. All'uscita dal separatore di condensa 12, il gas segue un percorso di ritorno, per essere inviato in uno scambiatore gas-gas 103, dove ha luogo un ulteriore scambio termico tra il flusso di gas in ingresso ed il flusso in uscita.

Come precedentemente accennato l'apparato 100 secondo la presente invenzione consente di refrigerare un fluido di processo, che viene sfruttato nel dispositivo essiccatore 10 per far raggiungere un punto di rugiada prestabilito al gas da trattare.

È comunque evidente che i medesimi concetti che saranno descritti a seguire potranno essere utilizzati anche per differenti applicazioni.

L'apparato 100 à ̈ formato da un circuito del fluido di processo lungo il quale sono disposti in successione un compressore 1, un condensatore 2, un primo organo di laminazione 3 ed l’evaporatore 4.

Si può osservare come i componenti suddetti formano un circuito frigorifero. Il fluido di processo, ad esempio un fluido frigorifero quale l'R134a, viene compresso nel compressore 1, portandolo ad un valore di pressione p1e successivamente portato ad una condizione pari o prossima a quella di liquido saturo tramite una condensazione a pressione costante nel condensatore 2. All'uscita dal condensatore il fluido à ̈ soggetto ad una laminazione nell'organo 3, raffreddandosi e portandosi ad una pressione p2.

Il fluido di processo raffreddato viene utilizzato per raffreddare il gas da trattare tramite l’evaporatore 4 che, come illustrato in precedenza, à ̈ associato al dispositivo essiccatore 10, realizzando lo scambiatore di calore 11, come precedentemente illustrato.

Il circuito frigorifero si chiude quindi inviando nuovamente il fluido di processo, che dopo lo scambio termico à ̈ in una condizione di temperatura leggermente superiore a quella di vapore saturo alla pressione p2, al compressore 1.

Oltre ai componenti suddetti, l'apparato 100 comprende un dispositivo di regolazione 5 del flusso del fluido di processo, disposto nel tratto del circuito dell'apparato 100 che collega lo scambiatore 4 ed il compressore 1, un separatore del fluido di processo 6, a valle del dispositivo di regolazione 5 ed un filtro 7, preferibilmente tra il condensatore 2 e l'organo di laminazione 3.

In aggiunta, l'apparato comprende ulteriormente una pluralità di pressostati 8 ad esempio associati ad un controllo di alta e bassa pressione o all'azionamento di un ventilatore del condensatore 2.

Con riferimento quindi alle figure da 2 a 4, il dispositivo di regolazione 5 Ã ̈ preferibilmente realizzato tramite una valvola a comando elettromagnetico.

La valvola 5 comprende un corpo valvolare 50, nel quale à ̈ definita una camera di ingresso 52 ed una camera di uscita 53. Preferibilmente la camera di ingresso 52 si sviluppa perimetralmente alla camera di uscita 53 e sono collegate a rispettive sezioni di ingresso 52' e di uscita 53' della valvola 5, collegabili al circuito del fluido di processo dell'apparato 100.

La valvola 5 comprende inoltre un otturatore 55, connesso ad un elemento magnetico 56, azionato tramite una bobina, non illustrata in figura, alloggiata all'interno di una corpo di chiusura 57.

Preferibilmente, la valvola 5 comprende inoltre un disco distributore 54, interposto tra la camera di ingresso 52 e l'otturatore 55 e che permette di definire un passaggio principale tra la camera di ingresso 52 e la camera di uscita 53, attraverso il quale il fluido operativo passa quando la valvola à ̈ in posizione aperta.

Tuttavia, la valvola secondo la presente invenzione comprende ulteriormente un foro di passaggio calibrato 51 che mette ulteriormente in comunicazione la camera di ingresso 52 e la camera di uscita 53 e che rimane aperto a prescindere dalla posizione operativa dell'otturatore 55.

Deve essere osservato che nel contesto della presente invenzione, con il termine calibrato si intende che il foro di passaggio 51 ha ben precise dimensioni che permettono di introdurre una predeterminata perdita di carico e, di conseguenza, di controllare la portata del fluido operativo.

Come accennato in precedenza, nella presente forma di realizzazione, la camera di uscita 53 ha conformazione sostanzialmente cilindrica e la camera di ingresso 52 si estende a forma di C perimetralmente alla camera di uscita. Il foro calibrato 51 à ̈ preferibilmente realizzato in corrispondenza di una parete di separazione tra le due camere 52 e 53, ed à ̈ vantaggiosamente allineato alle aperture che definiscono la sezione di ingresso 52' e la sezione di uscita 53'.

Nella presente forma di realizzazione, la valvola 5 à ̈ di tipo normalmente chiuso, ovverosia l'otturatore 55, quando il magnete non à ̈ eccitato dalla bobina, chiude il passaggio principale tra la camera di ingresso e la camera di uscita. Tuttavia, anche in tale posizione sarà consentito il passaggio del fluido attraverso il foro calibrato 51 il quale, a seguito delle ridotte dimensioni, produrrà una perdita di carico. Di conseguenza, sarà consentito attraverso il foro 51 il passaggio di una portata limitata rispetto a quella che passa attraverso il distributore quando la valvola à ̈ in posizione aperta.

Viceversa, quando la valvola 5 viene aperta, il passaggio principale attraverso il disco distributore 54 viene liberato e, di conseguenza, il fluido operativo passa principalmente attraverso tale via.

Infatti, deve essere osservato che le dimensioni del passaggio principale rispetto al foro calibrato sono tali per cui la portata di fluido operativo che, in condizioni di valvola aperta, passa attraverso il foro calibrato sono minime. Ciò à ̈ dovuto essenzialmente alla perdita di carico alla quale il fluido viene sottoposto durante il passaggio per il foro calibrato, che rende preferenziale il passaggio attraverso il passaggio principale della valvola.

Di conseguenza, il funzionamento dell'apparato secondo la presente invenzione può essere commutato, ad esempio tramite un'unità di controllo 9, secondo due modalità operative, una prima nella quale viene inviata una portata nominale di fluido operativo al compressore, tipicamente corrispondente alla portata per la quale il compressore à ̈ dimensionato, ed una seconda modalità nella quale viene inviata una portata ridotta.

Secondo una forma di realizzazione preferita, l'unità di controllo 9 aziona la valvola 5 in funzione di un parametro caratteristico del livello termico del gas da trattare nel dispositivo essiccatore 10. È evidente che nel caso di differenti applicazioni il parametro considerato può essere differente, purché sia in relazione con i valori di temperatura dell’aria, o altro fluido o gas da trattare, con il quale il fluido di processo scambia calore.

In particolare, il controllo del livello termico dell'aria da essiccare – o di altro gas da trattare - consentirà di monitorare il carico richiesto, inteso come quantità di calore che à ̈ necessario rimuovere dal gas da trattare per ottenerne l'essiccazione nel dispositivo di essiccazione. Preferibilmente il parametro caratteristico in funzione del quale viene commutata la valvola 5 à ̈ rappresentato da un valore di temperatura rilevato in corrispondenza dello scambiatore di calore 4.

Quando il carico diminuisce oltre ad un certo livello e, conseguentemente, la temperatura rilevata à ̈ inferiore ad una soglia predeterminata, l'unità di controllo 9 chiuderà la valvola 5, facendo passare il fluido di processo attraverso il foro calibrato 51.

Conseguentemente viene abbassata la pressione del circuito frigorifero e si ottiene una rarefazione del gas in aspirazione al compressore, una conseguente diminuzione della portata di massa del compressore e conseguente riduzione della capacità frigorifera nell’evaporatore con un paritetico abbassamento della potenza elettrica assorbita dal compressore, con un conseguente risparmio energetico.

La chiusura della valvola 5 e la conseguente ulteriore laminazione del fluido di processo consente perciò di controllare i flussi all’evaporatore e quindi la temperatura del gas da trattare, evitando che scenda a valori eccessivamente bassi, incompatibili con il dispositivo di essiccazione 10. La procedura di apertura e chiusura del dispositivo 5 può essere anche modulata ad impulsi regolari molto ravvicinati (duty-cycle) ottenendo così una regolazione molto precisa della capacità frigorifera al variare del carico di aria da essiccare, con un consumo energetico più coerente con il fabbisogno di freddo.

Si noti, inoltre, che il dispositivo di regolazione 5 può essere anche realizzato tramite una valvola normalmente aperta, gestendo diversamente le fasi di eccitazione della bobina e quindi le aperture e le chiusure dell'otturatore. L’invenzione risolve quindi il problema proposto, conseguendo al contempo una pluralità di vantaggi, tra cui la possibilità di parzializzare la portata di refrigerante in aspirazione al compressore consentendo quindi la regolazione della sua capacità frigorifera. In questo modo à ̈ pertanto possibile gestire la portata elaborata dal compressore e quindi il carico termico prodotto dall’essiccatore in funzione della domanda di aria compressa essiccata. Inoltre, il foro di passaggio calibrato, oltre a permettere una determinata perdita di carico, garantisce l’espansione di eventuali tracce di liquido qualora non sia garantito il surriscaldamento in uscita all’evaporatore. In aggiunta, la valvola può essere facilmente realizzata tramite una semplice modifica di valvole commerciali senza quindi richiedere particolari costi di realizzazione.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparato (100) per il trattamento di deumidificazione di un gas, comprendente un circuito frigorifero di un fluido di processo lungo il quale sono disposti in successione: - un compressore (1); - un condensatore (2); - un primo organo di laminazione (3); - un evaporatore (4) che costituisce uno scambiatore di calore (11) per effettuare uno scambio termico con il gas da trattare in maniera da realizzare una deumidificazione del medesimo, - un dispositivo di regolazione (5) comprendente una camera di ingresso (52) ed una camera di uscita (53), un passaggio principale del fluido di processo selettivamente chiudibile tramite un otturatore mobile (55) essendo definito tra detta camera di ingresso (52) e detta camera di uscita (53), caratterizzato dal fatto che detto dispositivo di regolazione (5) comprende un foro di passaggio calibrato (51) che mette ulteriormente in comunicazione detta camera di ingresso (52) e detta camera di uscita (53).
2. 2. Apparato (100) secondo la rivendicazione 1, in cui detto dispositivo di regolazione (5) Ã ̈ collocato a monte del compressore (1).
3. 3. Apparato (100) secondo la rivendicazione 1 o 2, comprendente un separatore di condensa (12) disposto a valle dello scambiatore di calore (11) per la deumidificazione del gas da trattare.
4. 4. Apparato (100) secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente ulteriormente un separatore del fluido di processo (6) disposto a valle del dispositivo di regolazione (5).
5. 5. Apparato (100) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui dispositivo di regolazione (5) Ã ̈ realizzato tramite una valvola a comando elettromagnetico.
6. 6. Apparato (100) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta camera di ingresso (52) si sviluppa perimetralmente a detta camera di uscita (53) e sono collegate a rispettive sezioni di ingresso (52') e di uscita (53'), collegabili a detto circuito del fluido di processo.
7. 7. Apparato (100) secondo la rivendicazione 6, in cui detto foro di passaggio calibrato (51) à ̈ realizzato in corrispondenza di una parete di separazione detta camera di ingresso (52) e detta camera di uscita (53), ed à ̈ allineato a rispettive aperture che definiscono detta sezione di ingresso (52') e detta sezione di uscita (53').
8. 8. Apparato (100) secondo una delle rivendicazioni precedenti, detta camera di uscita (53) ha conformazione sostanzialmente cilindrica e detta camera di ingresso (52) si estende a forma di C perimetralmente a detta camera di uscita (53).