Allo stato attuale, le ciminiere industriali e urbane rappresentano un modo semplice per disperdere i fumi nell’atmosfera, poiché la depurazione dei fumi avviene solo negli impianti industriali dotati di un sistema di filtraggio integrato, mentre il raffreddamento dei fumi si ottiene semplicemente tramite scambiatori di calore che preriscaldano l’aria comburente che alimenta bruciatori e forni. La CO2 è un gas perfettamente ossidato e quindi non può essere eliminata solo tramite filtraggio dell’aria, né ridotta con filtrazione elettrostatica. Pertanto, le ciminiere industriali e urbane (CCPC) sono i primi impianti che consentiranno il recupero della CO2 e, se necessario, la riduzione completa di NOx e SOx, ceneri e parte del calore disperso nell’atmosfera. La neutralizzazione della CO2 e della maggior parte dei componenti nocivi per l’ambiente avverrà in altri impianti successivi alla cattura, ma nelle ciminiere la maggior parte del calore può essere trasferita all’acqua tramite uno scambiatore di calore integrato nei condotti di scarico opportunamente modificati. L’acqua così ottenuta può essere utilizzata per riscaldare grandi digestori e serre industriali, principalmente per la produzione di energia, mentre in ambito urbano, soprattutto per migliorare l’efficienza delle caldaie domestiche, alimentate con acqua preriscaldata. I camini (CCPC) appartengono a un gruppo di brevetti nazionali e internazionali che possono essere combinati in vari modi per ottenere la depurazione globale e la produzione di energia che contribuisce a proteggere l’ambiente restituendo al mare sali minerali e carbonati. La figura 8 mostra i camini inseriti nel (GSPDPTC): impianto di sinergia globale per depurazione, produzione di biomassa e cogenerazione termoelettrica, basato su diversi brevetti nazionali e internazionali del richiedente.
DESCRIZIONE
I campi tecnici di questa invenzione sono la protezione dell’ambiente e il risparmio di risorse energetiche sia in ambito industriale che urbano. Questa invenzione appartiene a un gruppo di invenzioni che mirano a prevenire i fenomeni di acidificazione dell’acqua e dell’atmosfera e a recuperare risorse energetiche, processi che non possono essere realizzati con gli attuali sistemi di depurazione e produzione di energia. L’invenzione principale è quella che integra in un unico sistema tecnologie vecchie e nuove per evitare perdite. Questa invenzione principale è denominata (GSPDPTC): “Impianto di sinergia globale per depurazione, produzione di biomassa e cogenerazione termoelettrica”. La presente richiesta è dedicata esclusivamente alla cattura, al raffreddamento e alla depurazione dei fumi e non entra nel merito di altri processi di rimozione della CO2 dai gas di scarico, che saranno descritti in altri impianti di trattamento industriale.
L’approccio tradizionale alla tutela ambientale e alla produzione di energia ha trascurato le sinergie tra diverse tipologie di impianti, che invece potrebbero portare a una purificazione globale dell’ambiente. I camini rappresentano una scorciatoia che non consente di affrontare e risolvere i problemi ambientali più rilevanti, poiché i cicli di combustione, indipendentemente dal combustibile utilizzato, non possono concludersi nelle attuali ciminiere, che si limitano a emettere fumi nell’atmosfera. È necessario sottoporli a trattamenti aggiuntivi affinché materiali tossici e inquinanti non vengano dispersi nell’ambiente e, al contempo, si possano recuperare risorse come il calore e la CO2, il principale gas serra. Lo stato dell’arte attuale permette di prevedere, in un prossimo futuro, soluzioni tecnologiche avanzate, come la cattura della CO2 tramite alberi artificiali o mediante alcalinizzazione chimica ed elettrolitica di ampie superfici marine, oppure direttamente negli impianti termoelettrici, con le cosiddette tecnologie CCS (cattura e stoccaggio del carbonio). Tali tecnologie consistono fondamentalmente in una depurazione chimica che riduce la potenza termica, catturando la CO2, ma senza neutralizzarla; pertanto, è necessario comprimerla, liquefarla e seppellirla a circa mille metri di profondità in cavità opportunamente individuate. Tuttavia, tale soluzione può comportare rischi sismici e pericolose fughe di gas, note come “effetto Nyos”, poiché un episodio simile si è verificato nel 1986, come riportato in numerose pubblicazioni. D’altra parte, la cattura della CO2 direttamente alla fonte attraverso i camini (CCPC), unitamente ai successivi trattamenti, rappresenterebbe una vera svolta, poiché attualmente è l’unica tecnologia che agisce alla fonte, con un trattamento completo senza effetti collaterali, e consente il recupero di calore evitando che SOx, NOx e polveri sottili raggiungano l’atmosfera. Se è vero che tali componenti possono in linea di principio essere trattati separatamente dalla CO2, è altrettanto vero che non esiste un trattamento in grado di arrestare le grandi emissioni concentrate derivanti dalla produzione di carbone di migliaia di MWh. Qualche speranza potrebbe essere riposta nella realizzazione di impianti di dimensioni più ridotte. Gli attuali trattamenti individuali non sono riusciti ad arrestare l’aumento dell’acidificazione dell’acqua e dell’atmosfera, che non può essere attribuito unicamente alla CO2, la quale, se catturata alla fonte, potrebbe diventare la principale risorsa per la tutela ambientale globale.
La presente invenzione è suddivisa in due parti che illustrano l’applicazione industriale e l’applicazione urbana dei camini (CCPC). Entrambe le applicazioni dimostrano che i camini tradizionali sono semplici condotti che disperdono inquinanti e calore nell’atmosfera, mentre i camini (CCPC) sono veri e propri impianti sofisticati. I camini (CCPC) svolgono un ruolo rilevante nella tutela ambientale, poiché impediscono la dispersione di inquinanti e calore nell’ambiente e ne consentono il trasferimento a impianti in grado di effettuare trattamenti globali, in particolare per il trattamento dell’aria e dell’acqua, che allo stato attuale delle conoscenze non esistono, a differenza di quanto avviene per i camini (CCPC) stessi. Tali camini (CCPC) potranno essere utilizzati anche in futuro, quando si prevede l’impiego di combustibili biologici, per raccogliere calore e fumi in un sistema semplice ed economicamente vantaggioso per produrre carbonati da inviare al mare e compost per l’agricoltura, in combinazione con impianti globali. In questa descrizione, vengono trattate solo le due applicazioni principali: centrale termica industriale ed edificio urbano a più piani. Come già accennato, nel settore industriale la ciminiera (CCPC) può sostituire quelle degli altiforni, degli inceneritori, dei cementifici e dei cogeneratori, mentre in ambito urbano può essere impiegata in edifici pubblici e ristoranti. Le modifiche necessarie alle ciminiere standard per trasformarle nelle nuove ciminiere qui proposte sono le stesse per entrambe le principali applicazioni, con differenze che riguardano solo il dimensionamento e gli accessi per la manutenzione. In questa applicazione internazionale ci concentriamo esclusivamente su ciò che è possibile realizzare direttamente nella ciminiera e sull’utilizzo dell’acqua riscaldata dai fumi di combustione per il loro recupero.
Il camino (CCPC) è molto simile a una torre piezometrica, anche se nelle applicazioni urbane può essere inglobato negli edifici per ragioni estetiche. In ambito industriale, ha dimensioni maggiori e per l’ispezione e la manutenzione si utilizza una scala a chiocciola. Le caratteristiche strutturali che consentono ai camini (CCPC) di svolgere funzioni diverse da quella attuale sono le seguenti:
L’estremità dove ora si trova lo scarico atmosferico verrà allargata per annullare la velocità dell’aria in modo che il fumo possa essere aspirato dai soffiatori elettrici (eff). Nelle Figg. 1, 2, 3 si può notare che tutti i camini industriali e urbani possono essere realizzati nella versione (CCPC), indipendentemente dal sistema con cui sono stati dimensionati (ventilazione naturale o forzata). Se il tubo di scarico è ben dimensionato (in base alla portata, alla densità, alla temperatura del fumo, alla ventilazione naturale o forzata), l’energia che spinge il fumo verso l’alto si disperde nello scarico atmosferico, dove solo la pressione dovuta alla minore densità dell’aria calda rispetto all’atmosfera, che può essere facilmente superata da una camera di espansione dei fumi (fgec) e creando una depressione in un’intercapedine anulare esterna, concentrica con il tubo di scarico dei fumi, che aspira il fumo e anche un po’ di aria esterna attraverso la presa d’aria fresca (fai). Per ragioni architettoniche, l’intercapedine può assumere forme diverse, pur rimanendo funzionale, a fianco del tubo di scarico soggetto a (fgec). Il fumo, aspirato dal ventilatore elettrico (eff), deve passare attraverso il filtro elettrostatico (esf). Le caratteristiche dei filtri elettrostatici sono note da 50 anni. Sono in grado di catturare polveri, gas incombusti, ossidi come NOx, SOx, CO, che sono composti da molecole con carica elettrica nulla, ma che, attraverso un campo elettrico ad alta intensità tra gli elettrodi dove l’aria fluisce a velocità moderata, vengono caricati elettrostaticamente provocandone la precipitazione sugli elettrodi di raccolta collegati a terra. I filtri elettrostatici vengono periodicamente scossi meccanicamente per far precipitare la polvere. Senza entrare nei dettagli costruttivi del filtro, che può essere realizzato con le stesse dimensioni della camera di espansione (fgec), che ha una funzionalità rilevante ed è posizionata all’estremità superiore del tubo di scarico. È dotata di un coperchio rimovibile (rm) per le principali operazioni di manutenzione, un piano superiore (uf), anch’esso smontabile, al quale è fissato il filtro (esf) e un piano inferiore (lf) su cui si raccoglie la polvere. Nella versione industriale fig. 1, dove la temperatura del fumo è molto alta e la quantità di polvere è maggiore, è prevista una rete di aspirazione annegata nel pavimento, che convoglia la polvere a un filtro ciclonico (cf), posizionato su un soppalco esterno, il quale, lavorando contemporaneamente al ciclo di agitazione del filtro (esf), raccoglie la polvere in un serbatoio alla base del camino, mentre l’aria calda contenente CO2, NOx, SOx e la polvere più leggera viene inviata a una serra verticale calcarea e fotosintetica (VSB) (oggetto di un’altra richiesta PCT), che nella sezione calcarea funziona come un grande depuratore, ma con la capacità di estrarre ioni calcio dal materiale calcareo per produrre carbonati e solfati nell’acqua che rimuovono dall’ambiente CO2, SOx, mentre la sezione fotosintetica effettua il trattamento dell’acqua e la produzione di biomassa.Nella versione urbana, fig. 3, dove la temperatura del fumo è molto più bassa e la quantità di polvere è inferiore, il pavimento (lf) non avrà la rete di aspirazione. La polvere verrà rimossa tramite un processo di lavaggio temporizzato del pavimento, con acque reflue che saranno recuperate dal nuovo sistema di purificazione urbano che comprenderà il (VSB). Sia nella fig. 1 che nella fig. 3, la camera di espansione (fgec) è più grande dello spazio occupato dal filtro, quindi la velocità del fumo si annulla e il ventilatore elettrico (o i ventilatori elettrici) (eff), oltre al fumo, convoglieranno verso il basso anche aria fresca, che verrà prelevata dalla bocchetta di ventilazione (fai) e regolata dalla serranda motorizzata (aid). Come si può vedere nella fig. 1 e nella fig. 4, la miscela di fumo e aria, ancora calda, scendendo, deve sfiorare la superficie dello scambiatore di calore (fgwe) cedendo parte del calore all’acqua che vi circola. Lo scambiatore di calore (fgwe) è costituito da comuni tubi in acciaio inox che partono dal tubo di scarico e si snodano in un’intercapedine anulare attorno al tubo di scarico stesso. Come mostrato nelle figure 3 e 6, è possibile integrare il ventilatore elettrico (eff) alla base del tubo di scarico senza che sia visibile dall’esterno e senza creare piccole derivazioni di aspirazione che aspirino lo smog urbano stagnante al suolo, soprattutto in aree urbane ad alta densità di traffico. Inoltre, come mostrato nel disegno di figura 1, per applicazioni industriali, e nella figura 3 (sfpcuec) tubo di scarico speciale per il collegamento alla camera di espansione dell’unità, la parte superiore del tubo di scarico collegato alla camera di espansione (fgec) può essere dotata di due o più ventilatori elettrici (eff) paralleli al tubo di scarico al fine di potenziare l’azione di aspirazione dei ventilatori elettrici (eff) alla base.principalmente in siti urbani con elevata densità di traffico. Inoltre, come mostrato nel disegno Fig. 1, per ambienti industriali, e nella Fig. 3 (sfpcuec) speciale tubo di scarico per collegare l’unità camera di espansione, la parte superiore del tubo di scarico collegato alla camera di espansione (fgec) può essere dotata di due o più soffianti elettriche (eff) parallele al tubo di scarico al fine di migliorare l’azione di aspirazione delle soffianti elettriche (eff) alla base.principalmente in siti urbani con elevata densità di traffico. Inoltre, come mostrato nel disegno Fig. 1, per ambienti industriali, e nella Fig. 3 (sfpcuec) speciale tubo di scarico per collegare l’unità camera di espansione, la parte superiore del tubo di scarico collegato alla camera di espansione (fgec) può essere dotata di due o più soffianti elettriche (eff) parallele al tubo di scarico al fine di migliorare l’azione di aspirazione delle soffianti elettriche (eff) alla base.
Nella versione industriale, di grandi dimensioni, l’intercapedine anulare è separata dal locale scale da una parete realizzata con pannelli sandwich modulari in poliuretano rivestiti con una schermatura in acciaio inox, collegati tra loro con profili speciali. In fig. 1 si può notare come la miscela di aria e fumo purificata e raffreddata venga immessa nel canale (cchwf) da cui ulteriori ventilatori elettrici (eff) la aspireranno per immetterla negli edifici verticali sinergici (VSB). Inoltre, si può notare che alla base del camino possono essere realizzate serrande di intercettazione del fumo (sid1) e (sid2) che consentono di deviare il fumo direttamente nel canale (cchwf), in caso di manutenzione del filtro (esf), come ad esempio all’estremità superiore, nel caso in cui i sistemi di recupero di calore e CO2 siano fuori servizio, il fumo può essere espulso in atmosfera attraverso la presa d’aria fresca (fai) e le serrande di ingresso aria (aid).
La Figura 3 illustra l’applicazione urbana del sistema CCPC (Compensation, Control, and Control), che sostituisce le attuali condotte di scarico. Ovviamente, in un’applicazione di questo tipo, riferita a impianti di potenza molto inferiore rispetto a quelli industriali, le dimensioni degli impianti saranno molto più ridotte rispetto a quelle di un contesto industriale, senza la scala a chiocciola interna, ma potranno essere dotati di un filtro elettrostatico accessibile dai tetti degli edifici o posizionato sotto il tetto in modo da non essere visibile dall’esterno. Anche in questo caso, il fumo catturato viene convogliato alla base del camino (CCPC) e inviato tramite ventilatori elettrici (eff) ad altri impianti globali di depurazione urbana. Questo grande impianto urbano si sviluppa sottoterra e cattura dall’ambiente anche lo smog dovuto al traffico automobilistico e, con altri sistemi più economicamente vantaggiosi, il fumo delle attuali condotte, ma senza recupero di calore. Come mostrato in Figura 8, anche in ambito urbano saranno inclusi impianti (GSPDPTC) per la depurazione locale di acqua e aria. La produzione di energia biologica consentita da questo impianto completo, piccolo o grande che sia, appartiene a un processo descritto in un altro brevetto internazionale. Pertanto, il percorso di depurazione dei fumi del camino (CCPC) è lo stesso che in ambito industriale e termina allo stesso modo, poiché anche in area urbana o nelle vicinanze è possibile realizzare un “impianto di sinergia globale per depurazione, produzione di biomassa e cogenerazione termoelettrica” (GSPDPTC).
Dalle figure 1 e 3 si può notare invece che gli schemi idraulici a monte e a valle dello scambiatore di calore sono molto diversi. Ciò è dovuto principalmente alle differenze strutturali tra gli impianti termici civili e urbani. Tuttavia, poiché l’oggetto principale della domanda di brevetto sono i nuovi camini che recuperano i fumi con finalità ambientali ed energetiche, è corretto rivendicare nello stesso brevetto tutti gli aspetti derivanti dal recupero dei fumi nello stesso tipo di camino, indipendentemente dalle dimensioni e dal luogo di utilizzo, purché si tratti di calore e fumi. Analizziamo quindi separatamente gli schemi idraulici del flusso d’acqua.
Nella figura 1 è illustrato il recupero e il riscaldamento delle acque industriali. È noto che le centrali termoelettriche e gli impianti termici industriali producono enormi quantità di acqua calda, utilizzata nei sistemi di raffreddamento delle turbine a condensazione, dei laminatoi e delle macchine di produzione. Quest’acqua non è inquinata poiché fluisce negli impianti senza entrare in contatto con cicli chimici o biologici, ma non può essere scaricata nei bacini idrici ad alta temperatura. In Europa, la temperatura massima consentita in uscita è di 35 °C. Questo limite viene raramente rispettato e, in realtà, la temperatura è superiore, con conseguenti ripercussioni sugli ecosistemi acquatici. Il recupero di tale calore sembra essere una risorsa concreta da sfruttare, soprattutto per riscaldare i digestori e le serre, che rappresentano l’unica fonte energetica per l’alcalinizzazione dell’acqua di mare.
Nella Figura 1, l’acqua calda prodotta dagli impianti termici viene scaricata nella vasca coperta per l’acqua calda (hwcb). Queste vasche non esistono più oggigiorno né sono coperte, poiché il calore non viene recuperato. Il trasferimento dell’acqua da questa vasca allo scambiatore di calore (fgwe) del camino è semplice: una o più pompe elettriche di sollevamento dell’acqua calda (hwlp) sollevano l’acqua direttamente a uno scambiatore di calore acqua-fumi (fgwe), che segue il percorso dei fumi e scarica l’acqua in un canale coperto per acqua calda e fumi (cchwf), attraverso una valvola di controllo del flusso (fcv) controllata da una sonda di temperatura, aumentando il flusso proporzionalmente all’aumento della temperatura. Il canale coperto (cchwf) distribuirà l’acqua calda e i fumi dove parteciperanno al processo energetico di depurazione.
La Figura 3 riporta lo schema idraulico urbano che non entra nelle case e negli spazi pubblici, ma richiede solo la modifica del sistema esterno di approvvigionamento idrico e delle caldaie collegate agli impianti di autoclave esistenti. Questi sono generalmente costituiti da almeno un serbatoio a pressione atmosferica (apt) e un vaso di espansione per acqua fredda (etcw), pressurizzato con aria e una o più pompe di sollevamento per acqua fredda (cwlp). Per implementare l’innovazione proposta in questa domanda, è necessario aggiungere alcuni nuovi elementi a tali componenti, come illustrato nello schema. Nel dettaglio, i nuovi componenti sono: un vaso di espansione per acqua calda (ethw), una pompa di circolazione per acqua calda (hwcp), una pompa di circolazione per acqua fredda (cwcp), un compressore d’aria (ac), quindi tutte le tubazioni necessarie per collegare lo scambiatore di calore (fgwe) al vaso di espansione (ethw). I nuovi collegamenti sono mostrati ingranditi nelle figure. Nelle figure 4 e 5, è importante notare la posizione delle valvole unidirezionali (uv) e che le caldaie sono alimentate dalla rete di alimentazione dell’acqua caldaie (bws), che è alimentata dal serbatoio pressurizzato (ethw) alla stessa pressione della linea dell’acqua fredda (cws) attraverso il compressore comune (ac), che ripristina i cuscini d’aria quando in uno dei due serbatoi l’acqua sale al livello massimo. La nuova rete è costituita semplicemente dallo scambiatore (fgwe) che estende il suo percorso ritornando al serbatoio (ethw). L’acqua utilizzata da questo circuito che alimenta solo le caldaie viene automaticamente reintegrata dal serbatoio (etcw) attraverso la valvola unidirezionale che lo collega a (ethw). Da questo serbatoio, attraverso la pompa di circolazione dell’acqua calda (hwcp), l’acqua viene convogliata al camino (CCPC) e segue il percorso dei fumi, circondando il tubo di scarico e costituendo così lo scambiatore di calore (fgwe). Da qui partono le diramazioni che distribuiscono l’acqua riscaldata agli utenti, che possono essere le caldaie domestiche (db), le caldaie per impianti pubblici (pfb) o le unità di riscaldamento per spazi comuni (vani scale, corridoi), le quali deviano dal percorso dello scambiatore e ritornano alla spirale di riscaldamento che termina nel vaso di espansione (ethw). Lo scopo di questo circuito è principalmente quello di fornire alle caldaie acqua preriscaldata dai fumi del camino con un salto termico inferiore, riducendo così il consumo energetico complessivo. Il risparmio energetico può essere facilmente calcolato con la semplice formula E = cs •m• dT, dove cs è il calore specifico e m la massa dell’acqua, mentre dT è il salto termico. Ciò significa che se riduciamo dT del 25%, anche il consumo energetico si riduce del 25%. Naturalmente, dobbiamo tenere conto dell’energia assorbita dai ventilatori elettrici (eff), ma questi possono essere gestiti da sonde di temperatura e inverter per la regolazione della velocità e possono essere coadiuvati da caldaie con ventilazione forzata e deflettori utilizzati per ottimizzare i percorsi dell’aria e dei fumi per ogni specifica applicazione.
Breve descrizione dei disegni. Nella divulgazione dell’invenzione è stato descritto il principio di funzionamento del camino (CCPC); di seguito riportiamo, in ordine alfabetico, l’elenco completo degli acronimi che compaiono nei disegni relativi al (CCPC).
Legenda: (ac) compressore d’aria; (af) filtro dell’aria; (ags) fanghi agitatori; (ahu) unità di trattamento aria; (aid) serrande di ingresso aria; (aout) uscita aria; (acwhs) sistema di riscaldamento dell’acqua di raffreddamento in arrivo; (asc) collettore di fanghi anaerobici; (ads) soluzione detergente anionica; (apt) serbatoio a pressione atmosferica; (art) tunnel di rigenerazione anionica; (as) fognatura di arrivo; (avhe) scambiatore di calore; (aw) acque reflue agricole; (aws) fornitura di acqua alcalina; (bcf) filtro ciclonico per biogas; (bc) compost insacchettato; (bcsvp) vasche sovrapposte coperte biologiche; (bmh) tramoggia per biomassa; (bmpc) trasportatore pneumatico per biomassa; (bmc) collettore di biomassa; (bioc) collettore di biogas; (brse) elevatore a cestelli e griglie; (bws) fornitura di acqua per caldaia; (casrb) scaffalature e cestelli di smistamento in area coperta; (CCPC); camino di purificazione e raffreddamento a cattura; (cf) filtro ciclonico; (clp) pompa di sollevamento condensa; (CMCO 2 ) collettore di trasporto miscela compressa di aria e CO2; (crt) tunnel di rigenerazione cationica; (csc) canale di raccolta pietre; (ct) serbatoio di condensazione; (cwhb) cestelli sospesi calcarei su ruote; (cwlp) pompa di sollevamento acqua fredda; (cchwf) canale coperto per acqua calda e fumi; (cws) fornitura di acqua fredda; (db) caldaia domestica; (dlh) tramoggia di carico del digestore; (dwb) corpo idrico a valle; (dst) serbatoio di distribuzione fanghi; (dwt) serbatoio acqua desalinizzata; (ebCO 2 ) elettroventilatore per CO 2(ebbio) elettroventilatore per biogas; (efa) ventilatore elettrico per aria; (eff) ventilatore elettrico per fumi; (esf) filtro elettrostatico; (emr) rack motorizzato attrezzato; (ethw) vasi di espansione per acqua calda; (etcw) vasi di espansione per acqua fredda; (fai) presa d’aria fresca; (fcv) valvola di controllo del flusso; (fvhe) scambiatore di calore vapore-fumi; (fgec) camera di espansione dei gas di scarico; (fgwe) scambiatore acqua-gas di scarico; (fbcvp) laghetto verticale coperto biologico finale; (fgfs) sistema di filtrazione dei gas di scarico; (gf) pavimento a griglia; (gw) parete di vetro; (GUED) depurazione ambientale urbana globale; (hwb) bacino dell’acqua calda; (hwp) tubi dell’acqua calda; (hwcb) bacino coperto dell’acqua calda; (hwcp) pompa di circolazione dell’acqua calda; (hwfc) canale acqua calda e fumi; (hwlp) pompa di sollevamento dell’acqua calda; (hws) fornitura di acqua calda; (lf) piano inferiore; (lbh) tramoggia per massi di calcare; (LDDC) digestore lineare disidratatore compostatore; (mgg) mini serra vetrata; (pbpma) fotobioreattori per la produzione di microalghe; (pcbio) trasporto pneumatico di biomassa; (plv) pioggia; (pfb) caldaia per impianti pubblici; (pvum) modulo urbano verticale di purificazione; (pwdv) valvola di scarico dell’acqua purificata; (pwo) uscita dell’acqua purificata; (rfwt) tunnel di lavaggio finale delle resine; (rm) copertura rimovibile; (rcpld) pannello di controllo stradale con mini tramoggia di dosaggio del calcare incorporata; (rrpwl) linea di recupero dell’acqua piovana e dell’acqua purificata; (rrt) tunnel di rigenerazione della resina; (rwt) tunnel di lavaggio delle resine; (rww) acqua di lavaggio delle resine; (rwhb) cesti sospesi su ruote per resina; (se) vano scale e ascensore; (sfgc) collettore di decantazione dei gas di scarico; (sfp) tubo di scarico standard; (sfpcdb) tubo di scarico speciale per il collegamento della caldaia domestica; (sfpcuec) tubo di scarico speciale per il collegamento della camera di espansione dell’unità; (sfpcupp) tubo di scarico speciale per il collegamento degli impianti di depurazione interrati; (sh) tramoggia fanghi, (sk) lucernario; (sid 1-2) serranda di intercettazione del fumo; (sle) estrazione fanghi pozzetto; (slp) pompa di sollevamento fanghi; (sov); valvola di intercettazione; (spas) pompe sommergibili per fanghi anaerobici; (ssl) decantatore nella linea fognaria; (STAMCO 2 ) serbatoio di stoccaggio miscela atmosferica di aria e CO2; (STCMCO 2) serbatoio di stoccaggio miscela compressa di aria e CO2; (stt) trasporto di fanghi su nastro; (tsp) pannelli solari trasparenti; (ttst) serbatoio di transito fanghi da addensare; (rwv), valvola di ricircolo dell’acqua; (TEPbio), centrale termoelettrica alimentata a biogas; (TEPfos) centrale termoelettrica alimentata a combustibili fossili; (tucCO2) collettore sotterraneo di CO2 per addensamento; (uf) piano superiore; (upwb) corpo idrico a monte; (uv) valvola unidirezionale; (vcmlg) serra meccanizzata verticale coperta in pietra calcarea; (vclmg) serra meccanizzata verticale coperta in pietra calcarea; (vahe) scambiatore di calore; (vm) miscelatore verticale; (vmcpg) serra di produzione meccanizzata verticale coperta; (VSB) edificio sinergico verticale; (wb) corpo idrico; (wba) bacino idrico da alcalinizzare; (wbc) bacino di raffreddamento dell’acqua; (wbp) bacino idrico da purificare; (wfd) scarico per pavimento lavabile; (wlp) pompa di sollevamento acqua; (wodc) canale di troppo pieno e drenaggio acqua; (wot) vaschetta di raccolta troppo pieno acqua; (ws) alimentazione idrica; (wss) alimentazione idrica.
Il disegno “1/5” mostra la figura 1, che rappresenta la sezione completa di una ciminiera di un grande impianto termico industriale, che può essere non solo una centrale termoelettrica, ma anche un’acciaieria, un cementificio o un inceneritore. Nel dettaglio, si possono notare l’ingresso dei fumi e dell’acqua (ws), l’uscita dei fumi dal (CCPC) attraverso il ventilatore elettrico (eff) e dell’acqua calda attraverso la valvola (fcv), che confluiscono nel canale coperto comune (cchwf), da dove l’acqua calda alimenta i digestori (LDDC) e i fumi alimentano le sezioni (vcmlg) del (VSB). La figura 2 mostra un ingrandimento della camera di espansione (Fgec), dove è visibile il percorso dell’aria che entra nella ciminiera e il fumo che esce dal tubo di scarico.
Il disegno “2/5” riporta un collegamento generico al sistema fognario, in cui la figura 3 si ispira allo schema di un sistema globale di depurazione urbana. Mostra come sia possibile ottenere la protezione dell’ambiente globale (aria e acqua) e al contempo recuperare il calore disperso dai fumi negli impianti domestici. La figura 4 mostra i dettagli del collegamento tra serbatoi pressurizzati di acqua calda e fredda, mentre la figura 5 mostra il collegamento separato degli utenti domestici (acqua calda e fredda) per sfruttare l’alimentazione di acqua preriscaldata delle caldaie. La figura 6 mostra come si possa realizzare l’industrializzazione dei tubi di scarico con intercapedine e scambiatore di calore standard integrato, che possono essere accoppiati tra loro tramite raccordi maschio/femmina o flangiati: (sfp) tubo di scarico standard con cavità e scambiatore di calore integrato, e pezzi speciali per il collegamento alla caldaia domestica: (sfpcdb), tubo di scarico speciale con cavità e scambiatore di calore integrato per il collegamento alla caldaia domestica. Le moderne caldaie a gas con condensazione dei fumi sono quelle che garantiscono le migliori prestazioni termiche.
Il disegno “3/5”, fig. 7 mostra lo schema di un impianto di sinergia globale per depurazione, produzione di biomassa e cogenerazione termoelettrica) in cui sono presenti le versioni industriali comprendenti: 1 (TEPfos), 2 (CCPC fos), 3 (VSB), 4 (LDDC), 5 (TEPbio), 6 (CCPC fos). Dove, (TEPfos) produce energia fossile, calore, fumo e CO2. Trasferisce la CO2 e il calore del fumo a (CCPC fos), mentre il calore dell’acqua va a (LDDC); (CCPC bio) trasferisce il calore del fumo a (LDDC) e la CO2 a (VSB); (VSB) produce biomasse che vengono trasferite a (LDDC) e acqua alcalina che viene inviata al mare; (LDDC) produce biogas che viene trasferito a (TEPbio), solidi digeriti per l’agricoltura e liquidi digeriti che vengono trasferiti a (VSB), mentre i fumi caldi con CO2 vanno a (VSB). Allo stesso tempo (TEPbio) produce energia biologica, calore, fumo e CO2; trasferisce la CO2 e il calore del fumo a (CCPCbio), mentre il calore dell’acqua va a (LDDC). Il ciclo può continuare indefinitamente con una coesistenza di combustibili fossili e biologici che producono energia pulita, compost per l’agricoltura e acqua alcalina per ridurre l’acidificazione degli oceani.
Il disegno “4/5”, fig. 8, mostra lo schema di (Gued), “depurazione ambientale urbana globale” integrata nel sistema GSPDPTC, descritto sopra, in cui sono presenti le versioni urbane comprendenti: 1 (CCPC), 2 (VSB), 3 (LDDC), 4 (TEPbio) che producono energia fossile e bioenergia, calore, fumo, CO2 e acqua inquinata. Il calore del (CCPC) urbano va alla caldaia domestica (db), il calore del (TEP) urbano e del suo (CCPC) va a (LDDC); la CO2 urbana proveniente dai TEP e (db) va a (VSB). (VSB) produce biomassa, che viene trasferita a (LDDC) e acqua alcalina che viene inviata alla rete fognaria, che sarà molto diversa dal sistema attuale perché non produce acido solfidrico, ma purifica l’acqua e cattura CO2 e smog. (LDDC) produce solidi e liquidi digeriti, nonché biogas che viene trasferito a (TEPbio). Il solido digerito viene utilizzato per l’agricoltura, mentre il liquido digerito viene trasferito a (VSB). Questo ciclo può continuare indefinitamente con la coesistenza di combustibili fossili e sistemi biologici per produrre energia pulita, compost per l’agricoltura e acqua alcalina per ridurre l’acidificazione degli oceani. Per ottenere le massime prestazioni dall’intero sistema, è necessario modificare il “modulo verticale urbano di depurazione” (pvum) fornito in Gued, in modo che non solo sia collegato al collettore di fanghi anaerobici (asc), ma debba anche essere posizionato sotto una “mini serra vetrata” (mgg), all’interno della quale sarà presente una piccola sezione (vclmg) utilizzata per ossidare e alcalinizzare le acque e neutralizzare la CO2 senza ricorrere all’uso di ossido di calcio. Ciò non è sempre possibile a causa delle limitazioni di spazio nei vecchi centri urbani, ma può essere collocato ovunque ci sia spazio, come un’aiuola o una rotonda. Nella Figura 8, riportiamo (pvum) con (mgg) o un “Pannello di controllo stradale con mini tramoggia di dosaggio di calcare incorporata” (rcpld).
Il disegno “5/5” fig. 9 mostra uno schema di un modulo verticale urbano di purificazione originale (pvum), previsto in un trattamento globale delle acque reflue urbane con “pannello di controllo stradale con mini tramoggia di dosaggio di calcare incorporata” (rcpld). Questo sistema può essere utilizzato nella purificazione urbana globale, dove non c’è spazio in superficie per realizzare la soluzione mostrata in fig . 10. Infatti, (rcpld) può essere vantaggiosamente sostituito da una “mini serra vetrata” (mgg) che incorpora una sezione (vcmlg) di serra meccanizzata verticale rivestita di calcare, sovrapposta al (pvum). Questo sistema è più efficiente nella purificazione locale dell’aria e dell’acqua, che viene resa alcalina neutralizzando la CO2 senza consumare ossido di calcio. Nelle aree urbane, il sistema Gued + GSPDPTC funziona localmente nel seguente modo: il camino cattura l’aria inquinata in uscita da caldaie e forni, dopo aver purificato i fumi con un filtro elettrostatico e recuperato il calore per migliorare le prestazioni termiche della caldaia domestica (db), i fumi vengono rilasciati in un “collettore di decantazione dei fumi” (sfgc) da cui la miscela di aria e CO2, attraverso vari “filtri dell’aria” e “compressori dell’aria” (ac), viene compressa in un “serbatoio di stoccaggio” (STCMCO2) e in una rete (CMCO2) da cui possono essere prelevate sia le sezioni di ossidazione locale (pvum) che le vasche di ossidazione VSB (wba) e (wbp) che sfruttano la pressione e l’ossigeno per ossigenare l’acqua, mentre la CO2 rilasciata dalle acque ossigenate, costrette a risalire nelle serre locali e VSB (vcmlg), viene assorbita per produrre carbonati nelle stesse acque che ricadono all’interno delle rispettive vasche. In (pvum) può anche consumare i nutrienti, come fosforo e azoto per mezzo della fotosintesi consentita dalla superficie stagnante e ossigenata, poiché l’acqua trattata viene espulsa da un tubo che sale fino ad almeno 100 cm per raggiungere il livello di troppo pieno. Anche in (pvum) le acque vengono alcaline nella serra toccando vassoi (wot) e attraversando cestelli riempiti con materiale calcareo (cwhb) di (vcmlg), sebbene tutto sia in miniatura, in (pvum) avvengono gli stessi processi di purificazione dei grandi VSB.
La Figura 11 mostra che le principali funzioni di ossidazione, fotosintesi e alcalinizzazione, nonché la depurazione dei fumi, possono avvenire anche in case, aziende o blocchi industriali tramite sistemi di depurazione centralizzati, supportando camini (CCPC) e (pvum) con (mgg) e (vclmg), ma aggiungendo un serbatoio di stoccaggio per la miscela atmosferica di aria e CO2 (STAMCO2), un serbatoio di stoccaggio per la miscela di aria compressa e CO2 (STCMCO2) con il relativo sistema di filtrazione (af) e un compressore d’aria (ac). I fanghi prodotti dai blocchi (pvum) vengono estratti tramite un’autocisterna attraverso un processo di “estrazione fanghi dalla vasca” (sle) e trasportati a (LDDC).
Applicabilità industriale . Da quanto riportato sopra, sembra molto strano che camini come il (CCPC) non esistano già oggi, ma solo semplici tubi che emettono fumo nell’aria. Dai disegni e dalla spiegazione è facile comprendere l’importanza strategica di quanto affermato qui nelle grandi applicazioni industriali, perché è molto più difficile catturare a terra l’energia del calore senza favorire la naturale ascesa verso il cielo che funge da primo raffreddamento. A livello industriale non si può parlare di commercializzazione, ma a livello tecnico nessuna centrale termica dovrebbe evitare l’utilizzo del (CCPC), anche se oggi questo è ciò che accade. I risultati sono sotto i nostri occhi. Proviamo a immaginare l’ambiente se le centrali termoelettriche, gli inceneritori, le acciaierie, i cementifici e tutte le industrie riportassero a terra i fumi e li facessero passare attraverso gli scrubber calcarei e i VSB. Lo stesso vale per le numerose condotte di scarico urbane e, in tali casi, si potrebbe prevedere uno sfruttamento commerciale, come descritto nel disegno n. “2/4”, ma sarebbero necessari componenti aggiuntivi per raccogliere gli inquinanti catturati dal (CCPC). Tali componenti dovrebbero avere una funzione strutturale e i progettisti degli edifici pubblici dovrebbero tenerne conto. Tuttavia, anche le soluzioni strutturali necessitano di tecnologie che possono avere un’inaspettata applicazione commerciale. I camini (CCPC) rientrano in questa categoria e questa è la motivazione della richiesta di certificazione PCT.
Rivendicazione principale.
1) Camino (CCPC) per la cattura, il raffreddamento e la depurazione dei fumi, per applicazioni sia urbane che industriali, caratterizzato dal fatto che all’estremità superiore, dove normalmente avviene lo scarico in atmosfera, viene creata una camera di espansione dei fumi (fgec), che permette di rallentare, fino ad annullare, la velocità dei fumi, i quali, privi di energia cinetica, vengono deviati prima nel filtro elettrostatico e poi verso il terreno (lf) attraverso una depressione creata da uno o più soffiatori elettrici (eff), che costringono i fumi a passare attraverso grandi fori nel pavimento inferiore (lf) e nell’intercapedine anulare che circonda il tubo di scarico, dove entrano in contatto con lo scambiatore di calore (fgwe) cedendo parte del calore all’acqua di circolazione; anche l’aria esterna che entra nella camera di espansione (fgec) dalla presa d’aria esterna regolata dalla serranda (aid) contribuisce al raffreddamento; i grandi camini industriali sono costruiti in cemento armato, mentre i camini delle aree urbane hanno una doppia camera isolata in acciaio inox; nei camini industriali la polvere catturata dai filtri elettrostatici viene evacuata da un filtro ciclonico (cf), mentre nelle aree urbane i camini vengono semplicemente lavati dal pavimento.
Le altre rivendicazioni non sono riportate avendo un solo valore legale, non tecnico.
RICHIESTA DI BREVETTO CE2014A000003 del 13-05-2014
TORRE DI FILTRAZIONE DELL’ARIA E SCAMBIO TERMICO (AFTET).
(Il presente brevetto può essere esteso a livello internazionale entro il 13-05-2015)
Riepilogo
Le recenti innovazioni, come le pompe di calore a gas (GHP), lo sfruttamento dell’energia geotermica a bassa entalpia, le camini di purificazione e raffreddamento a cattura (CCPC) e i moduli verticali di purificazione urbana (PVUM), ci impongono di rivedere i criteri di progettazione degli impianti di riscaldamento e raffreddamento urbani. Il ciclo di assorbimento acqua-ammoniaca che si verifica nelle GHP permette la produzione diretta di acqua calda sanitaria e di metano per il condizionamento estivo o invernale, con notevoli risparmi energetici e sui costi di sistema. La combinazione delle GHP con i camini CCPC (che recuperano calore e CO2 e filtrano i fumi) richiede la modifica degli impianti di riscaldamento e condizionamento esistenti per sfruttare al meglio queste innovazioni, in gran parte sconosciute. Oggi è possibile realizzare un nuovo sistema di riscaldamento e raffreddamento che integra GHP e CCPC, la torre di filtrazione e scambio termico dell’aria (AFTET) e il pozzo geotermico rivestito in gres (GPCG) che, insieme, costituiscono l’elemento intermedio di scambio termico tra la GHP e gli impianti urbani e industriali. Con questo sistema, il riscaldamento e il raffreddamento risulteranno più economici, consentendo di pensare anche al condizionamento estivo e invernale. Queste innovazioni non sono solo possibili ma anche convenienti, poiché è più economico recuperare l’energia esistente per produrre quella nuova. Servono tre volumi d’acqua inerziali che fungono anche da scambiatori di calore, in CCPC, AFTET e GPCG. Il primo per ridurre il salto termico necessario per la produzione di acqua calda sanitaria, gli altri due per ridurre l’acqua e il ΔT per il condizionamento dell’aria. Il GPCG scambia calore con l’energia geotermica a bassa entalpia. I nuovi sistemi di condizionamento dell’aria, alimentati a gas naturale o biometano, come si può vedere dai disegni, possono essere inseriti nel sistema globale Detox:GHP+CCPC+AFTET+GPCG+PVUM = GUECD (condizionamento e depurazione ambientale urbana globale). GMLED+ PVUM + CTE + CCPC +VSB + LDDC+ GASOMETER = GSP (impianto sinergico globale) che produce biometano per fornire GHP, fertilizzanti per il suolo e acque alcaline al mare.
Leggenda
(aaev) bocchette di scarico dell’aria regolabili; (ac) compressore d’aria; (ae) estrazione dell’aria; (aec) camera di espansione dell’aria; (afaf ) ventilatore aggiuntivo e filtro dell’aria; (AFTET) torre di filtrazione dell’aria e scambio termico; (aid) serrande di ingresso dell’aria; (aout) uscita dell’aria; (apt) serbatoio a pressione atmosferica; (asc) collettore di fanghi anaerobici; (caf) filtro dell’aria centrale; (CCPC) camino di purificazione del raffreddamento a cattura; (cfcu) unità fan coil canalizzata; (CO2stap) serbatoio di stoccaggio di CO2 a pressione atmosferica; (cwlp) pompa di sollevamento dell’acqua fredda; (etrwap) vaso di espansione e riempimento dell’acqua a pressione atmosferica; (dp) pompa di drenaggio; (efai) ventilatore elettrico per l’ingresso dell’aria; (efae) ventilatore elettrico per l’estrazione dell’aria; (eff) ventilatore elettrico per i fumi; (esf) filtro elettrostatico; (ethw) serbatoi di espansione per acqua calda; (etcw) serbatoi di espansione per acqua fredda; (ew) parete esterna; (fai) presa d’aria fresca; (fgwe) scambiatore di calore acqua-gas di combustione; (GHP) pompa di calore a gas; ( fcu) unità fan coil; (GPCG) pozzo geotermico rivestito in gres; (GUECD) condizionamento e depurazione ambientale urbana globale ; (gwrp) pompa di ricircolo dell’acqua geotermica; (hwlp) pompa di sollevamento acqua calda; (hws) fornitura di recupero acqua calda; (hwcs) fornitura di acqua calda per consumo; (paw) acqua purificata e alcalinizzata; (pawe) scambiatore di calore aria-acqua purificata; ( pcws) fornitura pubblica di acqua fredda; (PVUM) modulo urbano verticale purificante; (pwo) uscita acqua purificata; (rp) tubo di ritorno; (rw) parete di rimozione; (rwm) materasso in lana di roccia; (sov) valvola di intercettazione; (sp) tubo di alimentazione ; (sphect) pezzo standard per camino o torre di scambio termico; (schect) raccordo standard per camino o torre di scambio termico; (sfpcuec) pezzo speciale per il collegamento alla camera di espansione superiore; (sfpchcu) pezzo speciale per il collegamento all’unità di riscaldamento o raffreddamento; (tco2pt) serbatoio pressurizzato per il trasporto di CO2;(tpcwsr) raccordo a T per il collegamento di alimentazione e ritorno dell’acqua; (uv) valvola unidirezionale; (wfd) ; (pwcp) pompa principale di circolazione dell’acqua; (wr) ritorno dell’acqua; (wsh) alimentazione dell’acqua per l’umidificazione.
Descrizione.
Le recenti innovazioni, come le pompe di calore a gas (GHP), lo sfruttamento dell’energia geotermica a bassa entalpia, le camini di purificazione e raffreddamento a cattura (CCPC) e i moduli verticali di purificazione urbana (PVUM), ci impongono di rivedere i criteri di progettazione degli impianti di riscaldamento e raffreddamento urbani. Il ciclo di assorbimento acqua-ammoniaca che si verifica nelle GHP permette la produzione diretta di acqua calda sanitaria e di metano per il condizionamento estivo o invernale, con notevoli risparmi energetici e sui costi di sistema. La combinazione delle GHP con i camini CCPC (che recuperano calore e CO2 e filtrano i fumi) richiede la modifica degli impianti di riscaldamento e condizionamento esistenti per sfruttare al meglio queste innovazioni, in gran parte sconosciute. Oggi è possibile realizzare un nuovo sistema di riscaldamento e raffreddamento che integra GHP e CCPC, la torre di filtrazione e scambio termico dell’aria (AFTET) e il pozzo geotermico rivestito in gres (GPCG) che, insieme, costituiscono l’elemento intermedio di scambio termico tra la GHP e gli impianti urbani e industriali. Con questo sistema, il riscaldamento e il raffreddamento risulteranno più economici, consentendo di pensare anche al condizionamento estivo e invernale. Queste innovazioni non sono solo possibili ma anche convenienti, essendo più economico recuperare l’energia esistente per produrre la nuova. Servono tre volumi d’acqua inerziali che fungono anche da scambiatori di calore, in CCPC, AFTET e GPCG. Il primo per ridurre il salto termico necessario per la produzione di acqua calda sanitaria, gli altri due per ridurre l’acqua e il ΔT per il condizionamento dell’aria. Il GPCG scambia calore con l’energia geotermica a bassa entalpia. I nuovi sistemi di condizionamento dell’aria, alimentati a gas naturale o biometano, come si può vedere dai disegni, possono essere inseriti nel sistema globale Detox:GHP+CCPC+AFTET+GPCG+PVUM = GUECD (condizionamento e depurazione ambientale urbana globale). GMLED+ PVUM + CTE + CCPC +VSB + LDDC+ GASOMETER = GSP (impianto sinergico globale) che produce biometano per alimentare GHP, fertilizzanti per il suolo e acque alcaline per il mare. I componenti principali di questo sistema sono:
A) Pompa di calore a gas GHP. Commercialmente, si tratta di una pompa di calore ad assorbimento acqua-ammoniaca alimentata a gas naturale per la produzione simultanea di acqua calda e riscaldamento fino a una temperatura di mandata di 65 °C e di acqua refrigerata anche a temperature negative. È composta da un circuito termofrigorifero a tenuta stagna, uno scambiatore di calore che funge da evaporatore, uno scambiatore di calore con funzione di condensatore/assorbitore per il recupero del calore dai fumi di scarico condensati, con termostato di sicurezza, valvola di sicurezza contro la sovrapressione, pressostato e termostato fumi, bruciatore, scheda elettronica con microprocessore per il controllo di tutte le funzioni, flussometro, misuratore di portata dell’acqua, unità di controllo della fiamma.
B) Il camino CCPC, già oggetto delle domande di brevetto nazionali e internazionali menzionate, è molto simile a una torre d’acqua. L’estremità, dove attualmente si trova lo scarico dell’aria inquinata, verrà allargata al massimo per azzerare la velocità cinetica del fumo in transito. In questa camera, la riduzione della velocità dei fumi consentirà la cattura di ceneri, polveri, CO, SOx, NOx mediante filtri elettrostatici a forma di corona circolare, che verranno attraversati dall’interno verso l’esterno a una velocità inferiore a 1 m/s. (Polveri e gas, come ossidi NOx, SOx, CO, sono composti da molecole polari non cariche che nei filtri elettrostatici, tramite un campo elettrico elevato tra gli elettrodi su cui passa l’aria a velocità moderata, vengono caricate elettrostaticamente provocando la precipitazione degli elettrodi collettori collegati a terra). Queste particelle, nella fase di vibrazione del filtro, cadono sul fondo e, per mezzo di un velo d’acqua, vengono convogliate in sacche di drenaggio temporizzate. La CO2, che ha una molecola non polare, non può essere catturata dal filtro elettrostatico, ma perde velocità di salita nella camera di espansione, essendo più pesante dell’aria, e con l’aiuto del vuoto creato nella camera anulare, grazie alle ventole (eff), fa scendere quest’aria calda, ricca di CO2, che trasferisce il suo calore alle pareti del camino e lungo i fasci tubieri al suo interno (fgwe), fig. 2. L’aria, la CO2 e le particelle sfuggite al filtro elettrostatico vengono trasportate nel serbatoio (CO2stap) posto alla base del camino. Il camino CCPC non direttamente coinvolto nei cicli di riscaldamento e raffreddamento recupera ma il fumo e il calore in esso contenuto, preriscalda l’acqua utilizzata per il consumo sanitario (hcws), riscalda l’aria comburente (ac) da (CO2stap) CO2 a (pvum), incluso nel processo di purificazione complessivo GSPDPTC (PCT/IT2013/000316).
C) La torre AFTET è molto simile, nella forma e nella sostanza, alla CCPC. Sostituisce gli sfiati d’aria previsti nel progetto originale del sistema globale di depurazione urbana (GUED = depurazione ambientale urbana globale). Come si può vedere dai disegni 1/2 e 2/2, incorpora lo sfiato che espelle l’aria nell’atmosfera; i fumi depurati sono separati dalla CO2, a causa del suo peso maggiore. Il camino è installato sopra una camera di espansione (a e c), dove l’aria entra dall’esterno attraverso l’uscita (do). Quest’aria viene filtrata dal filtro (CAF), che può essere diverso dal filtro elettrostatico, ma, come nella CCPC, viene riscaldata o raffreddata dai fasci tubieri immersi nella camera anulare concentrica al tubo centrale. Il tubo centrale dell’AFTET può essere realizzato in acciaio, come il fascio tubiero (Pawe), per facilitare lo scambio termico, mentre la parete esterna, isolata con doppia camera, può essere realizzata anche in polipropilene. Lo scambio termico che avviene lungo la colonna della torre tra l’aria purificata dal fumo catturato da (CCPC), l’aria estratta da (efae), che sale nel tubo centrale, l’aria introdotta da (doing) che fluisce nella camera anulare e attraversa lo scambiatore (Pawe) insieme all’aria alimentata da (efa), (Afaf), (Efai), e poi ritorna attraverso il tubo centrale, per il tiraggio naturale, consente il recupero termico sia dell’aria che entra negli ambienti, sia dell’acqua contenuta in (Pawe), che richiedono meno energia per il riscaldamento o il raffreddamento.
D) Il pozzo geotermico (GPCG) , collegato a (GHP) e (AFTET), si basa sullo scambio termico con il terreno. Detto “λ” è il coefficiente di conducibilità termica del materiale che forma la parete del pozzo, la cui unità di misura è derivata dalla stessa legge di Fourier (w/m2) / (m * K) = w / mK.
Una delle formule utilizzate per il calcolo dello scambio termico attraverso tubi rivestiti è la seguente: (3) Q = [3,17*(t 2 – t 1 )] / [(1/λ 1 ) log (d 2 /d 1 ) + (1/λ 2 ) log (d 3 /d 2Dove Q è il calore scambiato in kW / m * h; λ1 e λ1 sono le conduttività termiche del tubo e del rivestimento; d1 e d2 i diametri interno ed esterno del tubo; d2 e d3 i diametri interno ed esterno del rivestimento (m). Il pozzo geotermico è dotato di un tubo di qualsiasi diametro, sigillato sul fondo, in acciaio inox, rivestito esternamente in fabbrica con gres ceramico mediante un processo di trafilatura. Questo tubo viene assemblato mediante saldatura solo dal lato interno, mentre viene calato nello scavo. Sul lato esterno, si utilizza un raccordo comune per tubi in gres ceramico tipo vetro senza VT, con manicotti in acciaio inox. Dopo il montaggio, l’imboccatura del pozzo viene chiusa con una flangia cieca, alla quale viene saldato un raccordo per il collegamento alla circolazione dell’acqua, che comprende la pompa di calore geotermica e la torre AFTET. Questa viene completamente riempita con acqua di rubinetto (con eventuale antigelo). L’acqua circola a pressione idrostatica determinata dalla posizione della pompa (etrwap) e tocca la superficie interna in acciaio inox (λ1 = 17 W/mK) che ha la superficie esterna in gres (λ2 = 1,0 W/mK) scambiando calore con il sottosuolo circostante. La pompa di circolazione (wrp) spinge l’acqua verso l’alto attraverso il tubo interno, rivestito in polietilene (λ = 0,12 W/mK). Con questa soluzione GPCG aumenta la superficie di scambio e il coefficiente di trasmissione verso il terreno e riduce la superficie e il coefficiente di calore verso il tubo di risalita dell’acqua per non creare un cortocircuito tra l’acqua che entra nel pozzo e le altre due per ridurre il ΔT dell’acqua e l’aria condizionata. GPCG scambia calore con l’energia geotermica a bassa entalpia con una velocità centinaia di volte maggiore rispetto a una sonda geotermica, sia per il maggiore coefficiente di scambio, sia per le maggiori superfici, sia per il volume coinvolto. Lo scambio di calore con il terreno è utile, soprattutto nella fase iniziale, in quanto attenua il picco di calore iniziale e contribuisce al riscaldamento o al raffreddamento dell’acqua grazie alla differenza di temperatura (ΔT) esistente con il sottosuolo. Tuttavia, quando la differenza di temperatura (ΔT) diventa negativa rispetto alla direzione di funzionamento della pompa di calore, una valvola a tre vie esclude il pozzo GPGC dal percorso, consentendo il passaggio solo del volume d’acqua contenuto nella torre. In realtà, l’energia geotermica a bassa entalpia è stata concepita nei paesi nordici, dove gli impianti di riscaldamento vengono attivati per sette o otto mesi all’anno e il sottosuolo viene riscaldato appositamente da pompe di calore che utilizzano sonde geotermiche, le quali svolgono, a lungo termine, la funzione di accumulatore inerziale di calore. Per sfruttare il sottosuolo come serbatoio di accumulo sono necessarie numerose sonde geotermiche, ma è anche necessario distanziarle in modo da non compromettere l’efficienza della trasmissione. Nei periodi di minore riscaldamento e di minore necessità di aria condizionata in estate, è consigliabile utilizzare l’energia geotermica, tramite pozzi in gres rivestiti combinati con torri AFTET che sfruttano il rapido ΔT disponibile anche per alcune ore e alcuni mesi all’anno.È risaputo che il corpo umano mantiene costante la propria temperatura grazie al processo di traspirazione, eliminando parte dell’acqua con il sudore. Se l’umidità è elevata, l’ambiente circostante è già saturo di vapore acqueo, per cui il sudore non evapora. Utilizzando la ventilazione, anche senza ΔT Dt aria, la convezione generata facilita l’evaporazione dell’acqua e la traspirazione, contribuendo ad abbassare la temperatura corporea e a dare una sensazione di benessere. Pertanto, questi sistemi, nel periodo estivo, possono funzionare anche senza il contributo della pompa di calore, garantendo, oltre a una certa ventilazione ΔT, anche se non raggiungendo le prestazioni di benessere ottenibili con l’acqua refrigerata prodotta dalla pompa di calore. Il risultato dipenderà dalla profondità del pozzo, dal diametro, dal volume totale di acqua contenuta nel GPCG + aftet e dal numero di ventilconvettori che saranno in funzione. Il trasferimento di calore consentito dalla ceramica è dieci volte superiore a quello del polietilene, perfettamente in linea con la trasmissione media del sottosuolo, e un tubo DN 400 ha una circonferenza 125 volte superiore a una sonda DN 40. Tubazioni in acciaio rivestito in ceramica, oggi non esistono, ma le maggiori prestazioni di scambio termico, resistenza alla corrosione e pressione, possono giustificare l’aumento del costo di produzione. La saldatura interna è essenziale perché le giunzioni esterne, solo sulla ceramica, non garantiscono la stabilità della pressione e l’estrazione dei tubi montati verticalmente. Pertanto si propongono tubi rivestiti in ceramica mediante il processo di trafilatura, già utilizzato per il rivestimento dei tubi con polietilene. In questo caso la smussatura verrà eseguita in fabbrica solo sul lato interno in modo da non danneggiare il rivestimento ceramico esterno durante la saldatura. Essendo i tubi in ceramica prodotti in lunghezze a partire da circa 2 m, l’apparecchiatura di saldatura può essere montata dal lato superiore, dopo aver incassato la colonna sulla parete esterna del tubo e fermato sulla bocca del pozzo. Il tipo di saldatura più adatto per piccoli spessori, verticale, con il riscaldamento inferiore del pezzo, e quello chiamato per corto circuito “arco corto” mag (metal-arc active gas). La torcia di saldatura, del tipo a filo continuo, verrà montata all’estremità di un tubo attraverso il quale passano i cavi del tubo con il gas di protezione, il filo del materiale d’apporto, l’alimentazione con cavi USB di una lampada di illuminazione, con una normale telecamera e un vetro colorato per ispezionare, controllare la saldatura e il processo. Essendo i tubi da saldare prodotti in gres con tolleranze di 2 mm, non è necessario alcun aggiustamento in altezza, e l’utensile poggia sull’estremità superiore e dovrà solo essere dotato di un piccolo motore con riduttore che ruota di 360 gradi la torcia alla velocità richiesta dal processo di saldatura. L’intera operazione,Oltre al posizionamento fisico dell’utensile, la saldatura all’estremità dell’albero può essere azionata e controllata da un computer portatile che gestisce anche i dati operativi delle altre apparecchiature necessarie: il filo di saldatura continuo (trifase o monofase) con il relativo meccanismo di alimentazione e controllo. Queste apparecchiature e la bombola contenente il gas di protezione saranno montate su un carrello leggero e facilmente trasportabile a fianco dello scavo della fossa.
Il disegno 1/2, fig. 1La figura mostra uno schema di un impianto idraulico e di climatizzazione, sia estivo che invernale, per edifici pubblici o industriali che necessitano di un flusso d’aria considerevole. L’impianto è dotato di condotti di estrazione dell’aria (pe) con bocchette di aspirazione regolabili (aaev) collegate, tramite i ventilatori di estrazione (EFAE), al condotto centrale (aftet). L’aria fresca, aspirata dai ventilatori esterni (efa), passa attraverso il filtro (caf), scende attraverso lo scambiatore di calore (Pawe) e viene aspirata dai ventilatori (Efai), eventualmente umidificata (wsh) e miscelata con l’aria ricircolata immessa nell’ambiente tramite il ventilatore canalizzato (CFCU). Gli scambiatori di calore contenuti nel (CFCU) sono alimentati con l’acqua (ws) e il fluido di ritorno viene convogliato al collettore di ritorno (wr). L’acqua contenuta in (wr), tramite le valvole (TWV) e (SOV), può essere deviata verso la (GHP) o verso il pozzo (GPCG) per completare l’intero percorso di scambio termico, in base alle temperature misurate dalle sonde montate sul tubo di ritorno. Una valvola a tre vie è inoltre posizionata all’ingresso della GHP per consentire la miscelazione del flusso d’acqua con il ritorno, o addirittura escludere la GHP garantendo una circolazione di aria e acqua senza consumo di gas in particolari condizioni ambientali. Si può notare la somiglianza tra (CCPC) e (aftet), ma anche il fatto che svolgono compiti diversi. L’acqua riscaldata dallo scambiatore di calore (fgwe) dei camini è acqua di consumo che serve per tutto l’anno, mentre quella che circola negli scambiatori di calore (Pawe) delle torri è acqua riciclata che, a seconda delle stagioni, la pompa di calore (GHP) riscalda o raffredda, coinvolgendo anche l’acqua presente nei pozzi (GPCG). L’acqua calda prodotta da (fgwe) in inverno viene utilizzata per alimentare il circuito chiuso della torre, del vaso di espansione (etrap) e della valvola a tre vie (twv). Anche gli elementi standard di aftet CCPC consentono l’uscita dell’acqua (ws) e il ritorno (wr) tramite un pezzo speciale (tpcwsr) inserito tra le flange, dotato di un tappo filettato, utilizzabile in caso di necessità. L’aria che circola in (CCPC) è coinvolta nel processo di combustione, mentre l’aria che circola in (aftet) è aria aspirata dall’esterno e dall’interno dei locali da climatizzare o riscaldare. L’aria proveniente da varie fonti viene miscelata nel serbatoio (CO2stap), quando l’aria più leggera è salata (aout), rilascia CO2 per differenza di peso. L’efficienza della separazione della CO2 dall’aria dipende solo dal volume dei serbatoi (CO2stap), dalla regolazione della serranda (aid) e dalla portata dei ventilatori (efa), che dovranno avere una rotazione regolabile e non fornire un flusso eccessivo rispetto a quello richiesto dai ventilatori locali (Efai). Infatti, affinché la pendenza della depurazione e separazione della CO2 sia efficace, è necessario affidarsi ai camini naturali. Certamente, dopo le torri verranno utilizzati altri sfoghi nell’atmosfera, eventualmente integrati negli edifici.Per aumentare il volume di (CO2stap) si possono utilizzare anche scantinati e terreni locali chiusi ermeticamente e sigillati dalle autorità locali.
L’impianto (pvum), una volta completato, consuma CO2 producendo acqua alcalina. Il serbatoio di trasporto pressurizzato (tCO2pt), montato su un camion con compressore, svolge il servizio degli impianti di trasporto di CO2 del GSPDPTC che lo utilizzeranno per alcalinizzare ulteriormente l’acqua trattata degli impianti.
La Figura 2 mostra i dettagli degli scambiatori di calore (fgwe) e (Pawe) che sono incorporati nella camera esterna dei camini e delle torri. Questi possono essere realizzati in qualsiasi materiale a seconda delle temperature di esercizio, accoppiati con raccordi maschio e femmina, ma l’incorporazione degli scambiatori di calore deve essere prevista all’esterno degli attacchi, preferibilmente flangiati, per poter accoppiare (schetc) e pezzi speciali (sfpchcu) per collegare le gambe interne con i fumi o l’aria da espellere (EFAE) e le stanze esterne con aria fresca (Efai), che estraggono l’aria dalla torre o attacchi per ventilatori e filtri dell’aria aggiuntivi (AFAT), che vengono posizionati. Queste prese d’aria aggiuntive sono necessarie quando l’edificio è molto alto e le sole prese d’aria situate sopra la torre (do) e il filtro (caf) non sono sufficienti a soddisfare l’intera gamma di aria richiesta dall’edificio. Ovviamente, le prese d’aria sono dotate di deviatori di flusso interni per non cortocircuitare l’aria di mandata con l’estrazione.
Il disegno 2/2, figura 3, è uno schema di un sistema idraulico e di climatizzazione estivo e invernale per abitazioni private, che non richiedono componenti speciali per la climatizzazione. Pertanto, questo sistema è dotato solo di un ventilatore (fcu), piccoli estrattori d’aria (EFAE) collegati al tubo centrale di aftet e piccoli ventilatori (Efai) per l’aria fresca, le cui bocchette vengono aspirate dall’esterno (efa) attraverso (do), il filtro (CAF), passa attraverso lo scambiatore di calore (Pawe), eventualmente umidificato da (WSH). Gli scambiatori di calore contenuti in (fcu) sono alimentati con acqua (ws) e il ritorno al collettore di ritorno (wr). Le altre funzioni sono identiche a quelle descritte per la figura 1.
La Figura 4 mostra come il sistema CCPC possa essere integrato negli edifici o posizionato a ridosso di essi senza causare impatti ambientali eccessivi. Le camere di espansione superiori (a e c), che possono essere incorporate nei tetti o sotto di essi, sulle terrazze, sono certamente meno ingombranti rispetto alle centrali di trattamento aria e alle torri di evaporazione che andranno a sostituire con il sistema AFTET. Realizzando le pareti con pannelli rimovibili (rm) in cartapesta per interni e acciaio verniciato per esterni, non solo si può eliminare l’effetto dell’impatto ambientale di camini e torri, ma si può anche migliorare l’isolamento termico, costruendo materassi in lana di roccia tra le pareti e la superficie esterna dell’AFTET. Ovviamente, i pannelli rimovibili delle pareti (rw) devono coincidere in altezza con gli elementi di accoppiamento del sistema AFTET e CCPC. I pezzi speciali (sfpchcu) devono essere compatibili con gli elementi della parete di uguale altezza, già dotati di fori di fabbrica necessari per il passaggio di tubi idraulici e sfiati.
Applicabilità industriale . Da quanto riportato sopra, sembra molto strano che camini come il (CCPC) non esistano già oggi, ma solo semplici tubi che emettono fumo nell’aria. Dai disegni e dalla spiegazione è facile comprendere l’importanza strategica di quanto affermato qui nelle grandi applicazioni industriali, perché è molto più difficile catturare a terra l’energia del calore senza favorire la naturale ascesa verso il cielo che funge da primo raffreddamento. A livello industriale non si può parlare di commercializzazione, ma a livello tecnico nessuna centrale termica dovrebbe evitare l’utilizzo del (CCPC), anche se oggi questo è ciò che accade. I risultati sono sotto i nostri occhi. Proviamo a immaginare l’ambiente se le centrali termoelettriche, gli inceneritori, le acciaierie, i cementifici e tutte le industrie riportassero a terra i fumi e li facessero passare attraverso gli scrubber calcarei e i VSB. Lo stesso vale per le numerose condotte di scarico urbane e, in tali casi, si potrebbe prevedere uno sfruttamento commerciale, come descritto nel disegno n. “2/4”, ma sarebbero necessari componenti aggiuntivi per raccogliere gli inquinanti catturati dal (CCPC). Tali componenti dovrebbero avere una funzione strutturale e i progettisti degli edifici pubblici dovrebbero tenerne conto. Tuttavia, anche le soluzioni strutturali necessitano di tecnologie che possono avere un’inaspettata applicazione commerciale. I camini (CCPC) rientrano in questa categoria e questa è la motivazione della richiesta di certificazione PCT.
Rivendicazione principale.
1) Camino (CCPC) per la cattura, il raffreddamento e la depurazione dei fumi, per applicazioni sia urbane che industriali, caratterizzato dal fatto che all’estremità superiore, dove normalmente avviene lo scarico in atmosfera, viene creata una camera di espansione dei fumi (fgec), che permette di rallentare, fino ad annullare, la velocità dei fumi, i quali, privi di energia cinetica, vengono deviati prima nel filtro elettrostatico e poi verso il terreno (lf) attraverso una depressione creata da uno o più soffiatori elettrici (eff), che costringono i fumi a passare attraverso grandi fori nel pavimento inferiore (lf) e nell’intercapedine anulare che circonda il tubo di scarico, dove entrano in contatto con lo scambiatore di calore (fgwe) cedendo parte del calore all’acqua di circolazione; anche l’aria esterna che entra nella camera di espansione (fgec) dalla presa d’aria esterna regolata dalla serranda (aid) contribuisce al raffreddamento; i grandi camini industriali sono costruiti in cemento armato, mentre i camini delle aree urbane hanno una doppia camera isolata in acciaio inox; nei camini industriali la polvere catturata dai filtri elettrostatici viene evacuata da un filtro ciclonico (cf), mentre nelle aree urbane i camini vengono semplicemente lavati dal pavimento.
Le altre rivendicazioni non sono riportate avendo un solo valore legale, non tecnico.
RICHIESTA DI BREVETTO CE2014A000003 del 13-05-2014
TORRE DI FILTRAZIONE DELL’ARIA E SCAMBIO TERMICO (AFTET).
(Il presente brevetto può essere esteso a livello internazionale entro il 13-05-2015)
Riepilogo
Le recenti innovazioni, come le pompe di calore a gas (GHP), lo sfruttamento dell’energia geotermica a bassa entalpia, le camini di purificazione e raffreddamento a cattura (CCPC) e i moduli verticali di purificazione urbana (PVUM), ci impongono di rivedere i criteri di progettazione degli impianti di riscaldamento e raffreddamento urbani. Il ciclo di assorbimento acqua-ammoniaca che si verifica nelle GHP permette la produzione diretta di acqua calda sanitaria e di metano per il condizionamento estivo o invernale, con notevoli risparmi energetici e sui costi di sistema. La combinazione delle GHP con i camini CCPC (che recuperano calore e CO2 e filtrano i fumi) richiede la modifica degli impianti di riscaldamento e condizionamento esistenti per sfruttare al meglio queste innovazioni, in gran parte sconosciute. Oggi è possibile realizzare un nuovo sistema di riscaldamento e raffreddamento che integra GHP e CCPC, la torre di filtrazione e scambio termico dell’aria (AFTET) e il pozzo geotermico rivestito in gres (GPCG) che, insieme, costituiscono l’elemento intermedio di scambio termico tra la GHP e gli impianti urbani e industriali. Con questo sistema, il riscaldamento e il raffreddamento risulteranno più economici, consentendo di pensare anche al condizionamento estivo e invernale. Queste innovazioni non sono solo possibili ma anche convenienti, poiché è più economico recuperare l’energia esistente per produrre quella nuova. Servono tre volumi d’acqua inerziali che fungono anche da scambiatori di calore, in CCPC, AFTET e GPCG. Il primo per ridurre il salto termico necessario per la produzione di acqua calda sanitaria, gli altri due per ridurre l’acqua e il ΔT per il condizionamento dell’aria. Il GPCG scambia calore con l’energia geotermica a bassa entalpia. I nuovi sistemi di condizionamento dell’aria, alimentati a gas naturale o biometano, come si può vedere dai disegni, possono essere inseriti nel sistema globale Detox:GHP+CCPC+AFTET+GPCG+PVUM = GUECD (condizionamento e depurazione ambientale urbana globale). GMLED+ PVUM + CTE + CCPC +VSB + LDDC+ GASOMETER = GSP (impianto sinergico globale) che produce biometano per fornire GHP, fertilizzanti per il suolo e acque alcaline al mare.
Leggenda
(aaev) bocchette di scarico dell’aria regolabili; (ac) compressore d’aria; (ae) estrazione dell’aria; (aec) camera di espansione dell’aria; (afaf ) ventilatore aggiuntivo e filtro dell’aria; (AFTET) torre di filtrazione dell’aria e scambio termico; (aid) serrande di ingresso dell’aria; (aout) uscita dell’aria; (apt) serbatoio a pressione atmosferica; (asc) collettore di fanghi anaerobici; (caf) filtro dell’aria centrale; (CCPC) camino di purificazione del raffreddamento a cattura; (cfcu) unità fan coil canalizzata; (CO2stap) serbatoio di stoccaggio di CO2 a pressione atmosferica; (cwlp) pompa di sollevamento dell’acqua fredda; (etrwap) vaso di espansione e riempimento dell’acqua a pressione atmosferica; (dp) pompa di drenaggio; (efai) ventilatore elettrico per l’ingresso dell’aria; (efae) ventilatore elettrico per l’estrazione dell’aria; (eff) ventilatore elettrico per i fumi; (esf) filtro elettrostatico; (ethw) serbatoi di espansione per acqua calda; (etcw) serbatoi di espansione per acqua fredda; (ew) parete esterna; (fai) presa d’aria fresca; (fgwe) scambiatore di calore acqua-gas di combustione; (GHP) pompa di calore a gas; ( fcu) unità fan coil; (GPCG) pozzo geotermico rivestito in gres; (GUECD) condizionamento e depurazione ambientale urbana globale ; (gwrp) pompa di ricircolo dell’acqua geotermica; (hwlp) pompa di sollevamento acqua calda; (hws) fornitura di recupero acqua calda; (hwcs) fornitura di acqua calda per consumo; (paw) acqua purificata e alcalinizzata; (pawe) scambiatore di calore aria-acqua purificata; ( pcws) fornitura pubblica di acqua fredda; (PVUM) modulo urbano verticale purificante; (pwo) uscita acqua purificata; (rp) tubo di ritorno; (rw) parete di rimozione; (rwm) materasso in lana di roccia; (sov) valvola di intercettazione; (sp) tubo di alimentazione ; (sphect) pezzo standard per camino o torre di scambio termico; (schect) raccordo standard per camino o torre di scambio termico; (sfpcuec) pezzo speciale per il collegamento alla camera di espansione superiore; (sfpchcu) pezzo speciale per il collegamento all’unità di riscaldamento o raffreddamento; (tco2pt) serbatoio pressurizzato per il trasporto di CO2;(tpcwsr) raccordo a T per il collegamento di alimentazione e ritorno dell’acqua; (uv) valvola unidirezionale; (wfd) ; (pwcp) pompa principale di circolazione dell’acqua; (wr) ritorno dell’acqua; (wsh) alimentazione dell’acqua per l’umidificazione.
Descrizione.
Le recenti innovazioni, come le pompe di calore a gas (GHP), lo sfruttamento dell’energia geotermica a bassa entalpia, le camini di purificazione e raffreddamento a cattura (CCPC) e i moduli verticali di purificazione urbana (PVUM), ci impongono di rivedere i criteri di progettazione degli impianti di riscaldamento e raffreddamento urbani. Il ciclo di assorbimento acqua-ammoniaca che si verifica nelle GHP permette la produzione diretta di acqua calda sanitaria e di metano per il condizionamento estivo o invernale, con notevoli risparmi energetici e sui costi di sistema. La combinazione delle GHP con i camini CCPC (che recuperano calore e CO2 e filtrano i fumi) richiede la modifica degli impianti di riscaldamento e condizionamento esistenti per sfruttare al meglio queste innovazioni, in gran parte sconosciute. Oggi è possibile realizzare un nuovo sistema di riscaldamento e raffreddamento che integra GHP e CCPC, la torre di filtrazione e scambio termico dell’aria (AFTET) e il pozzo geotermico rivestito in gres (GPCG) che, insieme, costituiscono l’elemento intermedio di scambio termico tra la GHP e gli impianti urbani e industriali. Con questo sistema, il riscaldamento e il raffreddamento risulteranno più economici, consentendo di pensare anche al condizionamento estivo e invernale. Queste innovazioni non sono solo possibili ma anche convenienti, essendo più economico recuperare l’energia esistente per produrre la nuova. Servono tre volumi d’acqua inerziali che fungono anche da scambiatori di calore, in CCPC, AFTET e GPCG. Il primo per ridurre il salto termico necessario per la produzione di acqua calda sanitaria, gli altri due per ridurre l’acqua e il ΔT per il condizionamento dell’aria. Il GPCG scambia calore con l’energia geotermica a bassa entalpia. I nuovi sistemi di condizionamento dell’aria, alimentati a gas naturale o biometano, come si può vedere dai disegni, possono essere inseriti nel sistema globale Detox:GHP+CCPC+AFTET+GPCG+PVUM = GUECD (condizionamento e depurazione ambientale urbana globale). GMLED+ PVUM + CTE + CCPC +VSB + LDDC+ GASOMETER = GSP (impianto sinergico globale) che produce biometano per alimentare GHP, fertilizzanti per il suolo e acque alcaline per il mare. I componenti principali di questo sistema sono:
A) Pompa di calore a gas GHP. Commercialmente, si tratta di una pompa di calore ad assorbimento acqua-ammoniaca alimentata a gas naturale per la produzione simultanea di acqua calda e riscaldamento fino a una temperatura di mandata di 65 °C e di acqua refrigerata anche a temperature negative. È composta da un circuito termofrigorifero a tenuta stagna, uno scambiatore di calore che funge da evaporatore, uno scambiatore di calore con funzione di condensatore/assorbitore per il recupero del calore dai fumi di scarico condensati, con termostato di sicurezza, valvola di sicurezza contro la sovrapressione, pressostato e termostato fumi, bruciatore, scheda elettronica con microprocessore per il controllo di tutte le funzioni, flussometro, misuratore di portata dell’acqua, unità di controllo della fiamma.
B) Il camino CCPC, già oggetto delle domande di brevetto nazionali e internazionali menzionate, è molto simile a una torre d’acqua. L’estremità, dove attualmente si trova lo scarico dell’aria inquinata, verrà allargata al massimo per azzerare la velocità cinetica del fumo in transito. In questa camera, la riduzione della velocità dei fumi consentirà la cattura di ceneri, polveri, CO, SOx, NOx mediante filtri elettrostatici a forma di corona circolare, che verranno attraversati dall’interno verso l’esterno a una velocità inferiore a 1 m/s. (Polveri e gas, come ossidi NOx, SOx, CO, sono composti da molecole polari non cariche che nei filtri elettrostatici, tramite un campo elettrico elevato tra gli elettrodi su cui passa l’aria a velocità moderata, vengono caricate elettrostaticamente provocando la precipitazione degli elettrodi collettori collegati a terra). Queste particelle, nella fase di vibrazione del filtro, cadono sul fondo e, per mezzo di un velo d’acqua, vengono convogliate in sacche di drenaggio temporizzate. La CO2, che ha una molecola non polare, non può essere catturata dal filtro elettrostatico, ma perde velocità di salita nella camera di espansione, essendo più pesante dell’aria, e con l’aiuto del vuoto creato nella camera anulare, grazie alle ventole (eff), fa scendere quest’aria calda, ricca di CO2, che trasferisce il suo calore alle pareti del camino e lungo i fasci tubieri al suo interno (fgwe), fig. 2. L’aria, la CO2 e le particelle sfuggite al filtro elettrostatico vengono trasportate nel serbatoio (CO2stap) posto alla base del camino. Il camino CCPC non direttamente coinvolto nei cicli di riscaldamento e raffreddamento recupera ma il fumo e il calore in esso contenuto, preriscalda l’acqua utilizzata per il consumo sanitario (hcws), riscalda l’aria comburente (ac) da (CO2stap) CO2 a (pvum), incluso nel processo di purificazione complessivo GSPDPTC (PCT/IT2013/000316).
C) La torre AFTET è molto simile, nella forma e nella sostanza, alla CCPC. Sostituisce gli sfiati d’aria previsti nel progetto originale del sistema globale di depurazione urbana (GUED = depurazione ambientale urbana globale). Come si può vedere dai disegni 1/2 e 2/2, incorpora lo sfiato che espelle l’aria nell’atmosfera; i fumi depurati sono separati dalla CO2, a causa del suo peso maggiore. Il camino è installato sopra una camera di espansione (a e c), dove l’aria entra dall’esterno attraverso l’uscita (do). Quest’aria viene filtrata dal filtro (CAF), che può essere diverso dal filtro elettrostatico, ma, come nella CCPC, viene riscaldata o raffreddata dai fasci tubieri immersi nella camera anulare concentrica al tubo centrale. Il tubo centrale dell’AFTET può essere realizzato in acciaio, come il fascio tubiero (Pawe), per facilitare lo scambio termico, mentre la parete esterna, isolata con doppia camera, può essere realizzata anche in polipropilene. Lo scambio termico che avviene lungo la colonna della torre tra l’aria purificata dal fumo catturato da (CCPC), l’aria estratta da (efae), che sale nel tubo centrale, l’aria introdotta da (doing) che fluisce nella camera anulare e attraversa lo scambiatore (Pawe) insieme all’aria alimentata da (efa), (Afaf), (Efai), e poi ritorna attraverso il tubo centrale, per il tiraggio naturale, consente il recupero termico sia dell’aria che entra negli ambienti, sia dell’acqua contenuta in (Pawe), che richiedono meno energia per il riscaldamento o il raffreddamento.
D) Il pozzo geotermico (GPCG) , collegato a (GHP) e (AFTET), si basa sullo scambio termico con il terreno. Detto “λ” è il coefficiente di conducibilità termica del materiale che forma la parete del pozzo, la cui unità di misura è derivata dalla stessa legge di Fourier (w/m2) / (m * K) = w / mK.
Una delle formule utilizzate per il calcolo dello scambio termico attraverso tubi rivestiti è la seguente: (3) Q = [3,17*(t 2 – t 1 )] / [(1/λ 1 ) log (d 2 /d 1 ) + (1/λ 2 ) log (d 3 /d 2Dove Q è il calore scambiato in kW / m * h; λ1 e λ1 sono le conduttività termiche del tubo e del rivestimento; d1 e d2 i diametri interno ed esterno del tubo; d2 e d3 i diametri interno ed esterno del rivestimento (m). Il pozzo geotermico è dotato di un tubo di qualsiasi diametro, sigillato sul fondo, in acciaio inox, rivestito esternamente in fabbrica con gres ceramico mediante un processo di trafilatura. Questo tubo viene assemblato mediante saldatura solo dal lato interno, mentre viene calato nello scavo. Sul lato esterno, si utilizza un raccordo comune per tubi in gres ceramico tipo vetro senza VT, con manicotti in acciaio inox. Dopo il montaggio, l’imboccatura del pozzo viene chiusa con una flangia cieca, alla quale viene saldato un raccordo per il collegamento alla circolazione dell’acqua, che comprende la pompa di calore geotermica e la torre AFTET. Questa viene completamente riempita con acqua di rubinetto (con eventuale antigelo). L’acqua circola a pressione idrostatica determinata dalla posizione della pompa (etrwap) e tocca la superficie interna in acciaio inox (λ1 = 17 W/mK) che ha la superficie esterna in gres (λ2 = 1,0 W/mK) scambiando calore con il sottosuolo circostante. La pompa di circolazione (wrp) spinge l’acqua verso l’alto attraverso il tubo interno, rivestito in polietilene (λ = 0,12 W/mK). Con questa soluzione GPCG aumenta la superficie di scambio e il coefficiente di trasmissione verso il terreno e riduce la superficie e il coefficiente di calore verso il tubo di risalita dell’acqua per non creare un cortocircuito tra l’acqua che entra nel pozzo e le altre due per ridurre il ΔT dell’acqua e l’aria condizionata. GPCG scambia calore con l’energia geotermica a bassa entalpia con una velocità centinaia di volte maggiore rispetto a una sonda geotermica, sia per il maggiore coefficiente di scambio, sia per le maggiori superfici, sia per il volume coinvolto. Lo scambio di calore con il terreno è utile, soprattutto nella fase iniziale, in quanto attenua il picco di calore iniziale e contribuisce al riscaldamento o al raffreddamento dell’acqua grazie alla differenza di temperatura (ΔT) esistente con il sottosuolo. Tuttavia, quando la differenza di temperatura (ΔT) diventa negativa rispetto alla direzione di funzionamento della pompa di calore, una valvola a tre vie esclude il pozzo GPGC dal percorso, consentendo il passaggio solo del volume d’acqua contenuto nella torre. In realtà, l’energia geotermica a bassa entalpia è stata concepita nei paesi nordici, dove gli impianti di riscaldamento vengono attivati per sette o otto mesi all’anno e il sottosuolo viene riscaldato appositamente da pompe di calore che utilizzano sonde geotermiche, le quali svolgono, a lungo termine, la funzione di accumulatore inerziale di calore. Per sfruttare il sottosuolo come serbatoio di accumulo sono necessarie numerose sonde geotermiche, ma è anche necessario distanziarle in modo da non compromettere l’efficienza della trasmissione. Nei periodi di minore riscaldamento e di minore necessità di aria condizionata in estate, è consigliabile utilizzare l’energia geotermica, tramite pozzi in gres rivestiti combinati con torri AFTET che sfruttano il rapido ΔT disponibile anche per alcune ore e alcuni mesi all’anno.È risaputo che il corpo umano mantiene costante la propria temperatura grazie al processo di traspirazione, eliminando parte dell’acqua con il sudore. Se l’umidità è elevata, l’ambiente circostante è già saturo di vapore acqueo, per cui il sudore non evapora. Utilizzando la ventilazione, anche senza ΔT Dt aria, la convezione generata facilita l’evaporazione dell’acqua e la traspirazione, contribuendo ad abbassare la temperatura corporea e a dare una sensazione di benessere. Pertanto, questi sistemi, nel periodo estivo, possono funzionare anche senza il contributo della pompa di calore, garantendo, oltre a una certa ventilazione ΔT, anche se non raggiungendo le prestazioni di benessere ottenibili con l’acqua refrigerata prodotta dalla pompa di calore. Il risultato dipenderà dalla profondità del pozzo, dal diametro, dal volume totale di acqua contenuta nel GPCG + aftet e dal numero di ventilconvettori che saranno in funzione. Il trasferimento di calore consentito dalla ceramica è dieci volte superiore a quello del polietilene, perfettamente in linea con la trasmissione media del sottosuolo, e un tubo DN 400 ha una circonferenza 125 volte superiore a una sonda DN 40. Tubazioni in acciaio rivestito in ceramica, oggi non esistono, ma le maggiori prestazioni di scambio termico, resistenza alla corrosione e pressione, possono giustificare l’aumento del costo di produzione. La saldatura interna è essenziale perché le giunzioni esterne, solo sulla ceramica, non garantiscono la stabilità della pressione e l’estrazione dei tubi montati verticalmente. Pertanto si propongono tubi rivestiti in ceramica mediante il processo di trafilatura, già utilizzato per il rivestimento dei tubi con polietilene. In questo caso la smussatura verrà eseguita in fabbrica solo sul lato interno in modo da non danneggiare il rivestimento ceramico esterno durante la saldatura. Essendo i tubi in ceramica prodotti in lunghezze a partire da circa 2 m, l’apparecchiatura di saldatura può essere montata dal lato superiore, dopo aver incassato la colonna sulla parete esterna del tubo e fermato sulla bocca del pozzo. Il tipo di saldatura più adatto per piccoli spessori, verticale, con il riscaldamento inferiore del pezzo, e quello chiamato per corto circuito “arco corto” mag (metal-arc active gas). La torcia di saldatura, del tipo a filo continuo, verrà montata all’estremità di un tubo attraverso il quale passano i cavi del tubo con il gas di protezione, il filo del materiale d’apporto, l’alimentazione con cavi USB di una lampada di illuminazione, con una normale telecamera e un vetro colorato per ispezionare, controllare la saldatura e il processo. Essendo i tubi da saldare prodotti in gres con tolleranze di 2 mm, non è necessario alcun aggiustamento in altezza, e l’utensile poggia sull’estremità superiore e dovrà solo essere dotato di un piccolo motore con riduttore che ruota di 360 gradi la torcia alla velocità richiesta dal processo di saldatura. L’intera operazione,Oltre al posizionamento fisico dell’utensile, la saldatura all’estremità dell’albero può essere azionata e controllata da un computer portatile che gestisce anche i dati operativi delle altre apparecchiature necessarie: il filo di saldatura continuo (trifase o monofase) con il relativo meccanismo di alimentazione e controllo. Queste apparecchiature e la bombola contenente il gas di protezione saranno montate su un carrello leggero e facilmente trasportabile a fianco dello scavo della fossa.
Il disegno 1/2, fig. 1La figura mostra uno schema di un impianto idraulico e di climatizzazione, sia estivo che invernale, per edifici pubblici o industriali che necessitano di un flusso d’aria considerevole. L’impianto è dotato di condotti di estrazione dell’aria (pe) con bocchette di aspirazione regolabili (aaev) collegate, tramite i ventilatori di estrazione (EFAE), al condotto centrale (aftet). L’aria fresca, aspirata dai ventilatori esterni (efa), passa attraverso il filtro (caf), scende attraverso lo scambiatore di calore (Pawe) e viene aspirata dai ventilatori (Efai), eventualmente umidificata (wsh) e miscelata con l’aria ricircolata immessa nell’ambiente tramite il ventilatore canalizzato (CFCU). Gli scambiatori di calore contenuti nel (CFCU) sono alimentati con l’acqua (ws) e il fluido di ritorno viene convogliato al collettore di ritorno (wr). L’acqua contenuta in (wr), tramite le valvole (TWV) e (SOV), può essere deviata verso la (GHP) o verso il pozzo (GPCG) per completare l’intero percorso di scambio termico, in base alle temperature misurate dalle sonde montate sul tubo di ritorno. Una valvola a tre vie è inoltre posizionata all’ingresso della GHP per consentire la miscelazione del flusso d’acqua con il ritorno, o addirittura escludere la GHP garantendo una circolazione di aria e acqua senza consumo di gas in particolari condizioni ambientali. Si può notare la somiglianza tra (CCPC) e (aftet), ma anche il fatto che svolgono compiti diversi. L’acqua riscaldata dallo scambiatore di calore (fgwe) dei camini è acqua di consumo che serve per tutto l’anno, mentre quella che circola negli scambiatori di calore (Pawe) delle torri è acqua riciclata che, a seconda delle stagioni, la pompa di calore (GHP) riscalda o raffredda, coinvolgendo anche l’acqua presente nei pozzi (GPCG). L’acqua calda prodotta da (fgwe) in inverno viene utilizzata per alimentare il circuito chiuso della torre, del vaso di espansione (etrap) e della valvola a tre vie (twv). Anche gli elementi standard di aftet CCPC consentono l’uscita dell’acqua (ws) e il ritorno (wr) tramite un pezzo speciale (tpcwsr) inserito tra le flange, dotato di un tappo filettato, utilizzabile in caso di necessità. L’aria che circola in (CCPC) è coinvolta nel processo di combustione, mentre l’aria che circola in (aftet) è aria aspirata dall’esterno e dall’interno dei locali da climatizzare o riscaldare. L’aria proveniente da varie fonti viene miscelata nel serbatoio (CO2stap), quando l’aria più leggera è salata (aout), rilascia CO2 per differenza di peso. L’efficienza della separazione della CO2 dall’aria dipende solo dal volume dei serbatoi (CO2stap), dalla regolazione della serranda (aid) e dalla portata dei ventilatori (efa), che dovranno avere una rotazione regolabile e non fornire un flusso eccessivo rispetto a quello richiesto dai ventilatori locali (Efai). Infatti, affinché la pendenza della depurazione e separazione della CO2 sia efficace, è necessario affidarsi ai camini naturali. Certamente, dopo le torri verranno utilizzati altri sfoghi nell’atmosfera, eventualmente integrati negli edifici.Per aumentare il volume di (CO2stap) si possono utilizzare anche scantinati e terreni locali chiusi ermeticamente e sigillati dalle autorità locali.
L’impianto (pvum), una volta completato, consuma CO2 producendo acqua alcalina. Il serbatoio di trasporto pressurizzato (tCO2pt), montato su un camion con compressore, svolge il servizio degli impianti di trasporto di CO2 del GSPDPTC che lo utilizzeranno per alcalinizzare ulteriormente l’acqua trattata degli impianti.
La Figura 2 mostra i dettagli degli scambiatori di calore (fgwe) e (Pawe) che sono incorporati nella camera esterna dei camini e delle torri. Questi possono essere realizzati in qualsiasi materiale a seconda delle temperature di esercizio, accoppiati con raccordi maschio e femmina, ma l’incorporazione degli scambiatori di calore deve essere prevista all’esterno degli attacchi, preferibilmente flangiati, per poter accoppiare (schetc) e pezzi speciali (sfpchcu) per collegare le gambe interne con i fumi o l’aria da espellere (EFAE) e le stanze esterne con aria fresca (Efai), che estraggono l’aria dalla torre o attacchi per ventilatori e filtri dell’aria aggiuntivi (AFAT), che vengono posizionati. Queste prese d’aria aggiuntive sono necessarie quando l’edificio è molto alto e le sole prese d’aria situate sopra la torre (do) e il filtro (caf) non sono sufficienti a soddisfare l’intera gamma di aria richiesta dall’edificio. Ovviamente, le prese d’aria sono dotate di deviatori di flusso interni per non cortocircuitare l’aria di mandata con l’estrazione.
Il disegno 2/2, figura 3, è uno schema di un sistema idraulico e di climatizzazione estivo e invernale per abitazioni private, che non richiedono componenti speciali per la climatizzazione. Pertanto, questo sistema è dotato solo di un ventilatore (fcu), piccoli estrattori d’aria (EFAE) collegati al tubo centrale di aftet e piccoli ventilatori (Efai) per l’aria fresca, le cui bocchette vengono aspirate dall’esterno (efa) attraverso (do), il filtro (CAF), passa attraverso lo scambiatore di calore (Pawe), eventualmente umidificato da (WSH). Gli scambiatori di calore contenuti in (fcu) sono alimentati con acqua (ws) e il ritorno al collettore di ritorno (wr). Le altre funzioni sono identiche a quelle descritte per la figura 1.
La Figura 4 mostra come il sistema CCPC possa essere integrato negli edifici o posizionato a ridosso di essi senza causare impatti ambientali eccessivi. Le camere di espansione superiori (a e c), che possono essere incorporate nei tetti o sotto di essi, sulle terrazze, sono certamente meno ingombranti rispetto alle centrali di trattamento aria e alle torri di evaporazione che andranno a sostituire con il sistema AFTET. Realizzando le pareti con pannelli rimovibili (rm) in cartapesta per interni e acciaio verniciato per esterni, non solo si può eliminare l’effetto dell’impatto ambientale di camini e torri, ma si può anche migliorare l’isolamento termico, costruendo materassi in lana di roccia tra le pareti e la superficie esterna dell’AFTET. Ovviamente, i pannelli rimovibili delle pareti (rw) devono coincidere in altezza con gli elementi di accoppiamento del sistema AFTET e CCPC. I pezzi speciali (sfpchcu) devono essere compatibili con gli elementi della parete di uguale altezza, già dotati di fori di fabbrica necessari per il passaggio di tubi idraulici e sfiati.
