Università Politecnica delle Marche
Scuola di Dottorato di Ricerca in Scienze dell‘Ingegneria
Curriculum in Energetica
----------------------------------------------------------------------------------------
Sistemi solari stand-alone per il
mantenimento della catena del freddo
Ph.D. Dissertation of:
Khaled Maoulaoui
Advisor:
Prof. Ing. Fabio Polonara
X ciclo - new serie
Università Politecnica delle Marche
Scuola di Dottorato di Ricerca in Scienze dell‘Ingegneria
Curriculum in Energetica
----------------------------------------------------------------------------------------
Sistemi solari stand-alone per il
mantenimento della catena del freddo
Ph.D. Dissertation of:
Khaled Maoulaoui
Advisor:
Prof. Ing. Fabio Polonara
X ciclo - new series
2
Università Politecnica delle Marche
Dipartimento di (nome del dipartimento dove la tesi e’ stata sviluppata)
Via Brecce Bianche — 60131 - Ancona, Italy
Acknowledgements
Ringrazio mia madre per la sua pazienza e il suo coraggio…
E ringrazio tutte le persone che mi sono stati vicini…
i
Abstract
The present work aims to make a comparison between different sun‘s cold
technologies ―Ice maker ―; These machines could be thermally powered by (solar
thermal energy adsorption or absorption) or electrically (FV- vapor Compression)
The work begins with an introduction, that explains the advantages of solar Ice
maker: Self-sufficiency, Health and non-toxicity, Ecological sustainability, Social
and Economic factors.
I mentioned at the beginning the topic of the PV and thermal solar collectors,
which will be used to drive these machines, and then i illustrated in the
thermodynamic cycle of the machines mentioned above.
Then i studied the adsorption machine (methanol-activated charcoal) powered by a
solar thermal Panel. Starting from a mathematical model and fixed and dynamic
data (temperature and radiation) inserting them in a software that gives us the
dynamic simulation results, then it was discussed the parametric analysis and
design of all components (solar collector, condenser, evaporator, ...)
The second machine was the solar absorption (water-lithium bromide) powered by
solar thermal Panel. Doing the same procedure of first mathematical model input
data  dynamic simulationresultsparametric analysis (without studying the
machine design).
For the third machine the vapor compression (R-600a) powered by polycrystalline
Panel and DC motor. Doing the same procedure just over mentioned.
The final comparison between these three machines was done based on comparing
index (Ice quantity per day/Panel surface, STR, Lowers temperatures reached ...) to
find that the best machine is the solar adsorption.
The next step is to go beyond dynamic simulation, and to Design/install these three
machines in the same climate zone (sub-Saharan Africa) studying the effective
machines run and to establish which one is the best in the same operating
conditions.
ii
Abstract
Il presente lavoro mira a fare un confronto con diverse tecnologie del freddo
dal sole ‗Ice maker‘; Queste macchine potrebbero essere alimentate
termicamente (solare termico-adsorbimento o assorbimento) oppure
elettricamente (FV-Compressione vapore)
Il lavoro inizia con un‘introduzione che spiega i vantaggi del solar Ice
maker: autonomia, salute e non tossicità, eco sostenibilità e per fattori socio
economici.
Ho trattato all‘inizio l‘argomento dei captatori solari sia termici sia
fotovoltaici, che serviranno ad alimentare le macchine, sono stati illustrati in
seguito i cicli termodinamici delle macchine sopra citate.
Poi abbiamo studiato una macchina ad adsorbimento (metanolo-carbone
attivo) alimentato da un panello solare termico. Partendo dal modello
matematico e dei dati fissi e dinamici (radiazione e temperatura) inserendoli
in un software dava i risultati della simulazione dinamica, poi è stata trattata
l‘analisi parametrica e alla fine il dimensionamento di tutti i componenti
(collettore solare, condensatore, evaporatore…)
La seconda macchina era quella ad assorbimento solare (acqua-Bromuro di
litio) alimentata da panello solare termico. Facendo la stessa procedura di
prima modello matematicodati dentrosimulazione
dinamicarisultatianalisi parametrica (senza studiare il
dimensionamento).
Invece per la terza macchina si tratta compressione di vapore (R-600a)
alimentato con panello policristallino e motore DC. Facendo la stessa
procedura appena citata.
Il confronto finale tra queste tre macchine è stato fatto basandoci su indici di
confronto (quantità ghiaccio al giorno/ superfice panello, rendimento,
minime temperature raggiunte…) per stabilirne che quella a adsorbimento
sia la migliore.
Il passo successivo è oltrepassare la simulazione dinamica, e
Progettare/installare le tre macchine nella stessa zona climatica (Africa
subsahariana) e studiare realmente il funzionamento in sito e stabilirne quale
macchina sia la migliore nelle stesse condizioni operative.
iii
Contents
Introduzione
1
1. Capitolo 1. Energia solare
1.1. Energia solare e la sua captazione . . . . . . . . . . . . ……………………… 3
1.2. Il collettore solare termico…………………………………………………3
1.2.1. Tipi di collettori solari………………………………………………..4
1.2.1.1. Collettore piano………………………………………………..4
1.2.1.2. Tubi evacuati…………………………………………………..7
1.2.2. Il collettore piano…………………………………………………….9
1.2.2.1. Accorgimenti costruttivi……………………………………...14
1.2.2.2. Coperture trasparenti…..……………………………………...15
1.2.2.3. Piastra assorbente……………………………………………..18
1.3. Celle e panelli fotovoltaici…..…………………………………………...26
1.3.1. Effetto fotovoltaico…………..…..…………………………………26
1.3.2. Tipi di celle fotovoltaici…..…………………………………………26
1.3.2.1. Silicio Cristallino………………………………………..……27
1.3.2.2. Film sottile……………………………………………………28
1.3.2.3. CPV…………………………………………………………..31
1.3.3. Moduli e impianti fotovoltaici………………………………………32
1.3.3.1. Moduli fotovoltaici………………………………………….32
1.3.3.2. Generatore fotovoltaico……………………………………..34
1.3.3.3. Impianto fotovoltaico……………………………………….34
3
2. Capitolo 2. Adsorbimento e assorbimento
2.1. Adsorbimento............................................................................................... 37
2.1.1. Principio di funzionamento………………………………………….37
2.1.2. Materie assorbenti……………………………………………………38
2.1.2.1. Zeolite………………………………………………………..38
2.1.2.1. Gel di silice…………………………………………………..40
2.1.2.3. Carbone attivo……………………………………………….41
2.2. Assorbimento………………………………………………………………..42
2.2.1. Principio di funzionamento…………………………………………...42
37
i
2.2.2. Coppie Refrigeranti assorbenti………………………………………43
2.2.2.1. Caratteristiche delle coppie…………………………………44
2.2.2.2. Copie più usate……………………………………………...45
3. Capitolo 3. Cicli termodinamici
47
3.1. Componenti comuni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……………………..47
3.1.1. Condensatore………..……………………………………………….47
3.1.2. Evaporatore…………………………………………………..………48
3.1.3. Valvola di laminazione…………………………………………..…...49
3.2. Ciclo adsorbimento………………………………………………………...50
3.2.1. Ciclo elementare……………………………………………………..50
3.2.2. Termodinamica del ciclo elementare…………………………….......57
3.3. Ciclo assorbimento…………………………………………………………62
3.4. Ciclo a compressione di vapore…………………………………………….67
4. Capitolo 4. Adsorbtive solar Ice maker
71
4.1. Descrizione generale e simulazione dinamica .. ……………………..…… 71
4.1.1. Risultai caso base…………………………………………………….72
4.2. Il collettore solare…………………………………………………...………77
4.2.1. La cassa esterna………………………………………………………78
4.2.2. Materiale isolante…………………………………………………….79
4.2.3. Materiale riflettente……….………………………………………….80
4.2.4. Superfice trasparente………………………………………………....80
4.2.5. Tubi di carbone attivo………………………………………………..81
4.2.6. Superficie selettiva…………………………………………………...85
4.2.7. Cassetto scorrevole…………………………………………………...86
4.2.8. Il collettore………………...…………………………………………87
4.3. Dimensionamento del condensatore………………………………………..88
4.3.1. Il condensatore……………………………………………………….89
4.3.2. Il serbatoio……………………………………………………………90
4.4. Dimensionamento evaporatore………………………………………………91
4.4.1. Il sistema evaporatore…………………………………………………92
4.4.2. Il box frigorifero………………………………………………………93
4.4.3. L‘isolante…………………………………………………………...…94
4.4.4. I Tubi evaporanti………………………………………………………94
ii
4.4.4.1. Tubi allettati………………………………………………… 98
4.4.4.2. Collettore alto……………….……………………………….98
4.4.4.3. Collettore basso……………...………………………………99
4.4.4.4. Tubo collegamento e tubi uscita……………………………..100
4.4.4.5. Sistema ancoraggio…………………………………...……...101
4.5. La struttura di sostegno e piping …………………………………………101
4.5.1. Struttura di sostegno …………………………………………..……101
4.5.2. Sistema inclinazione…………………………………………………102
4.5.3. Piping………………………………………………………………...104
5. Capitolo 5. Absorbtive solar Ice maker
106
5.1. Descrizione generale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……………...………106
5.1.1. Modello matematico….……………………………………………….106
5.1.2. Descrizione…..………………………………………………………..107
5.1.3. Dati input…………………...…………………………………………108
5.1.4. Ipotesi di base………………………………………………………….112
5.2. Stesura e risoluzione delle equazioni…………...……………………………113
5.2.1. Stesura delle equazioni………………………………………….… …113
5.2.2. Risoluzione…………………………………………………………….120
5.3. Risultati…………………………………………………………………..….123
5.3.1. Parametri sistema…………………………………………………..…124
5.3.2. risultati ottenuti per un anno………………………………………….126
6. Capitolo 6. Photovoltaic Ice maker
134
6.1. Descrizione generale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ………… ……………134
6.2. Modello matematico…………………………………………………………136
6.2.1. Dati dinamici input…………………………...………………………..136
6.2.2. Ipotesi di base………………………………………………………….138
6.2.3. Calcolo potenza elettrica istantanea……………………………………139
6.2.4. Flusso termico attraverso i pareti cella frigorifera…………..…………142
6.2.5. Stesura complessiva equazioni…………………………………………144
6.2.6. Risoluzione……………………………………………………………..148
6.3. Risultati……………………………………………………………………...148
6.3.1. Potenza elettrica istantanea……………………………………………149
6.3.2. Temperatura all‘interno della cella…………………………………….154
iii
7. Capitolo 7. Il confronto
7.1. Il primo confronto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ………………………158
7.2. Il secondo confronto……………………………………………………....165
7.3. Giudizio finale…………………………………………………………….167
158
Conclusione
168
References
170
iv
List of Figures
Capitolo 1.
Fig.1.1: Schema di un collettore piano e dei relativi elementi.
Fig. 1.2: Fenomeni di assorbimento e riflessione nel collettore.
Fig. 1.3: Schema di un collettore sotto vuoto.
Fig. 1.4: Concentratore cilindro-parabolico.
Fig.1.5: Andamento del prodotto trasmissività-assorbimento al variare dell'angolo di
incidenza per sistemi ad 1,2,3 coperture in vetro di spessore 6mm.
Fig.1.6: Particolari interni di un collettore piano.
Fig.1.7: Metodo dell‘interferenza distruttiva.
Fig1.8-a/b: Cella policristallina/monocristallina.
Fig. 1.9: Film sottile fotovoltaico, CIGSe.
Fig.1.10: Film sottile fotovoltaico, CdTe / CdS
Fig.1.11-a/b: CPV.
Fig. 1.12-a/b: Panello policristallino(esploso/intero).
Fig.1.13: Generatore fotovoltaico.
Fig.14-a/b: Impianto ‗stand alone‘/‗grid connected ‗.
Capitolo 2.
Fig.2.1: Zeolite, struttura atomica.
iii
Fig.2.2: Strutture elementari assemblate a formare cavità regolari.
Fig.2.3: Funzionamento del ciclo ad assorbimento intermittente.
Fig.2.4: Sistema ad assorbimento a ciclo continuo.
Capitolo 3.
Fig.3.1: Sezione frontale dell‘evaporatore a geometria trapezoidale.
Fig.3.2: Valvola di espansione termostatica.
Fig.3.3: Schema di impianto a singolo letto adsorbente (pompa di calore).
Fig.3.4: Schema di impianto a singolo letto adsorbente (frigorifero).
Fig.3.5: Ciclo termodinamico ideale, pompa di calore ad adsorbimento
(caso: acqua=adsorbato = refrigerante).
Fig.3.6: Livelli termici delle quantità di calore entranti ed uscenti in una macchina ad
Adsorbimento.
Fig.3.7: Schema di un sistema frigorifero ad assorbimento.
Fig.3.8: Rappresentazione del ciclo ad assorbimento nel diagramma di Dhuring
(acqua come refrigerante).
Fig.3.9: Ciclo a compressione di vapore.
Fig.3.10: Schema fondamentale di una pompa di calore (A), e di una macchina
frigorifera (B).
Capitolo 4:
Fig.4.1: Vista anteriore solar Ice-Maker con cassetto chiuso.
iv
Fig.4.2: Vista anteriore solar Ice-Maker con cassetto aperto.
Fig.4.3: Dati costanti nel modello matematico (adsorbimento).
Fig.4-a/b: Temperatura cella fredda /COP (dal 7 al 23 Luglio).
Fig.4.5-a/b/c: a) Dimensione evaporatore; b) Quantità adsorbente ottiamle; c) COP vs
superfice collettore.
Fig.4.6: Cassa esterna collettore solare con coperture.
Fig.4.7: Assieme blocchi isolanti con coperture in materiale riflettente.
Fig.4.8: Assieme sistema copertura trasparente-cassa esterna collettore solare.
Fig.4.9: Sezione tubo carbone attivo.
Fig.4.10: Posizionamento dei tubi contenenti il carbone attivo.
Fig.4.11: Distribuzione dei tubi contenenti il carbone attivo.
Fig.4.12: Orientamento solar Ice-Maker.
Fig.4.13: Posizionamento dei 4 tubi di carbone attivo predisposti per la sensoristica.
Fig.4.14: Collettore solare con cassetto scorrevole aperto.
Fig.4.15: EZ limo, Oriental motor.
Fig.4.16: Vista 1 collettore del collettore solare.
Fig.4.17: Vista 2 collettore del collettore solare.
Fig.4.18: Sistema condensatore-serbatoio.
Fig.4.19: Serbatoio.
Fig.4.20: Inclinazione del sistema condensatore/serbatoio.
Fig.4.21: Sistema evaporatore con camera fredda chiusa.
v
Fig.4.22: Sistema evaporatore con camera fredda aperta.
Fig.4.23: Sistema di tubi evaporanti.
Fig.4.24: Collettore alto DN.
Fig.4.25: Sezione del collettore alto DN 63.
Fig.4.26: Collettore basso DN 63.
Fig.4.27: Sistema di ancoraggio, fissato sulla cassa esterna del collettore solare.
Fig.4.28: Assieme sistema di ancoraggio fissato sulla struttura di sostegno, barra
filettata e volante.
Fig.4.29: Solar Ice-Maker con diverse angolazioni.
Fig.4.30: Piping.
Capitolo 5:
Fig.5.1: Funzionamento del modello matematico (assorbimento).
Fig.5.2: Kenia.
Fig.5.3: I dati del sistema PV-GIS per l‘Africa.
Fig. 5.4: Dati di temperatura forniti dal software DIVA-GIS.
Fig.5.5: Andamento della radiazione solare dal 15 Luglio al 15 Agosto.
Fig.5.6: Andamento della temperatura ambiente dal 15 Luglio al 15 Agosto.
Fig.5.7: I parametri del modello relativo all‘impianto.
Fig.5.8: Distribuzione del livello di radiazione solare in un anno.
Fig.5.9: Ciclo termodinamico per un giorno tipico dei mesi da Gennaio a Settembre.
vi
Fig.5.10: Ciclo per i mesi da Gennaio a Settembre nel diagramma X-T.
Fig.5.11: Andamento della concentrazione in un giorno tipico di ogni mese.
Fig.5.12: Variazione annuale dei valori di concentrazione e del ΔX.
Fig.5.13: Profilo della temperatura della soluzione in due giorni tipici di ogni mese.
Fig.5.14: Profilo della temperatura del tubo del collettore per un giorno tipico di ogni
mese.
Fig.5.15: Profilo della temperatura dell‘acqua nell‘evaporatore nei primi due giorni di
ogni mese.
Fig.5.16: Variazione annuale della temperatura massima di ciclo e minima dell‘acqua.
Fig.5.17: COP vs Mesi.
Fig.5.18-a/b: Andamento della temperatura minima dell‘acqua/COP (15Luglio 15Agosto).
Capitolo 6.
Fig.6.1: Andamento della corrente di funzionamento del compressore.
Fig.6.2: Gradiente temperatura medio nella parete cella.
Fig.6.3: Andamento giornaliero della radiazione su piano orizzontale a confronto con
la radiazione su piano inclinato di 60°.
Fig.6.4: Andamento giornaliero della radiazione su piano orizzontale a confronto con
la radiazione su piano inclinato di 60°.
Fig.6.5: Andamento giornaliero della radiazione su piano inclinato di 60° e della
vii
potenza del modulo (120Wp).
Fig.6.6: Andamento dei rendimenti delle celle fotovoltaiche in funzione delle
temperature nel mese in un giorno di Agosto e Dicembre.
Fig.6.7: Andamento potenza modulo nell‘arco di due giorni campione di Agosto.
Fig 6.8: Andamento potenza modulo nell‘arco di tre giorni campione di Dicembre.
Fig.6.9: Andamento della potenza del modulo in giorni caratteristici di Agosto e
Dicembre.
Fig.6.10: Rappresentazione dei nodi fissati lungo lo spessore dell‘isolante.
Fig.6.11: Andamenti delle temperature calcolate in 4 giorni con il compressore in
stato di off ma con l‘accumulo di 5 Kg di ghiaccio (Dicembre).
Fig.6.12: Andamento delle temperature calcolate in 4 giorni di Agosto con il
compressore in stato di off ma con 5 kg di accumulo di ghiaccio (Agosto).
Fig.6.13: Confronto dell‘ andamento della T interna per 4 giorni in mesi differenti.
Fi.6.14: Andamento giornaliero della T interna in funzione della potenza erogata dal
modulo fotovoltaico il 1 Agosto.
Fig.6.15: Andamento giornaliero della T interna in funzione della potenza erogata dal
modulo fotovoltaico il 16 Dicembre.
viii
List of Tables
Tab.1.1: Copertura trasparente vs dispersione termica.
Tab.2.1: coppie refrigerante-assorbente.
Tab.4.1: Descrizione simboli (adsorbimento solare).
Tab.4.2: calcolo volume metanolo.
Tab.4.3: verifica volumi.
Tab.5.1: Parametri costanti (assorbimento).
Tab.5.2: Inclinazione ottimale panello (°) vs mese.
Tab.6.1: Caratteristiche panello ( silicio policristallino).
Tab.6.2: Prestazione Compressore.
Tab.6.3: N° ore On/Off della macchina frigorifera nei mesi di Agosto e Dicembre.
Tab.7.1: Punteggio del 1° confronto.
Tab.7.2: Scheda di confronto Ice maker.
Tab.7.3: Punteggio del 2° confronto.
v
Introduzione
La presente tesi è un confronto delle diverse tecnologie del freddo per la produzione di
ghiaccio ―Ice maker‖ stand alone intermittenti alimentati dal sole, dove il ghiaccio funge da
accumulo di freddo.
Farne un studio di ciascuna tecnologia e per arrivare ad un confronto finale tra di loro.
Queste tecnologie di macchine del freddo possono essere divisi in due categorie alimentati
termicamente oppure elettricamente, usando per la loro alimentazione captatori di onde
elettromagnetiche del sole.
Nella prima categoria (Thermally driven) il loro funzionamento si basa sul ciclo frigorifero
ad Adsorbimento e Assorbimento alimentato da pannelli solari termici.
Mentre nella seconda (Electrically driven) si basano su un ciclo frigorifero a compressione
di vapore alimentato da panelli solari fotovoltaici.
Queste tecnologie sono vantaggiosi per i seguenti motivi:

Per l‘Autonomia energetica: infatti non hanno bisogno di rete elettrica (not
grid connected), quindi sono adatti alle zone remote non alimentati dalla rete
come (nei paesi del sud del mondo, zone desertiche, isole, in montagna…)

Per la Salute: Conservazione di medicinali e alimenti in piu non emettono gas
o residui tossici.

Perché Sono Ecologici (environment friendly): non producono effetto serra in
quanto non bruciano combustibili fossili (alimentazione dal sole) tranne nelle
fase di produzione/trasporto/installazione; pero per quello che riguarda il
‗captatore solare‘ il loro ‗Energy pay Back Time‘ è molto ridotto a secondo
della tecnologia ma non supera quasi mai i 3 anni (ricupero energia spesa per
produrli)
1

Per ragioni Socio-economiche e per l‘Agricoltura: con queste macchine si
potrebbe sviluppare tipi di agricolture o derivati di animali in sito, che
altrimenti si deteriorano prima di raggiungere il mercato; facendo sorgere cosi
delle piccole imprese aumentando cosi la qualità di vita.
Lo scopo di questa tesi è:

Studiarli prima il loro principio di funzionamento specialmente
(Adsorbimento e Assorbimento) dal punto di vista fisico/chimica, perché
quello a compressione di vapore è molto conosciuto e usato.

Citare i captatori solari più usati.

Analizzare il loro ciclo termodinamico.

Studiare il loro modello matematico dinamico che simula il loro
comportamento.

Inserire dei dati e dei parametri, sia costanti sia variabili (dinamici), nel
modello sopra citato.

Arrivare a dei risultati o Indici di confronto: [COP (Coefficient Of
Performance), DIP (Daily Ice Production, Quantità ghiaccio per Superficie
Pannello al giorno), temperature minime raggiunte…] che servirebbero al
confronto dopo.

Fare l‘Analisi parametrica dei risultai, per il dimensionamento in qualche
caso.

Confronto finale tra le varie tecnologie.
Questi argomenti saranno discussi nei vari capitoli della tesi e alla fine ci sarà una
breve conclusione.
2
Capitolo 1.
Energia solare
1.1. Energia solare e la sua captazione
Il sole emette una gamma di onde elettromagnetiche che copre anche le bande dell‘infra
rosso, visibile e ultravioletto.
L‘intensità della radiazione appena fuori dell‘atmosfera é di quasi 1367 (W/m2), ma
all‘interno della superficie terrestre raramente supera il 1100 (W/m2) a causa del: atmosfera
(effetto filtro), altitudine, altezza del sole (che un parametro che cambia istante per istante e
stagione dopo stagione) e d infine i fattori climatici (nuvole, piogge…)
E per captare una parte di questa energia dobbiamo mettere dei corpi captanti (termici o
fotovoltaici) che captano una parte di questa energia (secondo della tipologia, tecnologia e
efficienza del mezzo captante).
Nei paragrafi che seguono, saranno illustrati i mezzi captanti sia termici sia fotovoltaici.
1.2. Il collettore solare termico
La progettazione e il curato design del collettore solare è, per un impianto intermittente,
sicuramente un fattore determinante, poiché influenza direttamente le prestazioni in termini
di COP e di quantità di refrigerante desorbito ed assorbito.
In particolare le specifiche che il collettore deve soddisfare sono:[1]
3

Ottimo riscaldamento della soluzione (fluido vettore);

ridotto scambio di calore con l‘ambiente durante la fase di rigenerazione ma efficiente
nelle fasi di raffreddamento e assorbimento;

Economicità;

Non devono avvenire reazioni che portino al deterioramento della struttura;

Scarsa necessità di manutenzione, specialmente nell‘ottica dell‘utilizzo di questi
impianti in luoghi dove manca personale specializzato.
Collettori Fissi e mobili:
In collettori solari possono essere fissi o mobili. L'orientamento di questi ultimi deve
seguire il movimento del sole, mentre i primi hanno bisogno solo di un orientamento
ottimale. I collettori mobili ricevono più energia solare sia su una media giornaliera sia
annuale ma sono delicati e costosi ed il loro utilizzo è giustificato solo quando si ha bisogno
di temperature elevate. Per questo motivo, la maggior parte dei pannelli solari sono fissi e
dispongono, spesso, di un piano riflettente per aumentare l'irradiamento solare incidente sul
collettore.
1.2.1 Tipi di collettori solari
Si distinguono tre principali categorie di collettori termici, a seconda della temperatura
richiesta, per i quali si fornisce una breve descrizione [2]:
•
Collettori piani, per temperature moderate (< 100°C)
•
Collettori a tubi sotto vuoto (ETC), per temperature medie (< 150°C)
•
Ricevitori ottici a concentrazione, per temperature elevate (> 200°C)
1.2.1.1.
Collettori piani (verrà trattato dopo in dettaglio)
4
Nella configurazione più semplice un collettore piano è composto da (figura 2.1)[37]:
1.
Un piastra metallica, spesso a superficie selettiva, molto assorbente per la
radiazione solare, che emette debolmente i raggi infrarossi e che capta la radiazione solare
trasferendola ad un fluido o ad un solido;
2.
Uno strato di materiale isolante posto sul retro della piastra per limitare le
dispersioni termiche dalla parte inferiore del collettore;
3.
Una o più coperture trasparenti che hanno lo scopo di limitare le dispersioni
termiche per convezione e radiazione dalla superficie superiore della piastra;
4.
Un eventuale sistema di apertura e chiusura della piastra che favorisce il
raffreddamento notturno.
Fig.1.1: Schema di un collettore piano e dei relativi elementi. [40]
5
L‘energia utile raccolta dal collettore per unità di superficie può essere definita dalla
differenza tra l‘energia assorbita qa [W/m2] e quella perduta qp [W/m2], per convezione,
conduzione ed irraggiamento verso l‘ambiente esterno:
qu  q a  q p
(1.1)
L‘energia assorbita qa è data da:
q a  ( ) I 
(1.2)
Dove è l‘intensità della radiazione solare incidente sul piano del collettore e è un fattore
che tiene conto dell‘aliquota di radiazione complessivamente trasmessa attraverso il sistema
di coperture e assorbita dalla piastra tramite i coefficienti di trasmissione ed di
assorbimento. Nel passaggio della radiazione attraverso le coperture trasparenti avvengono
fenomeni di assorbimento di radiazione e riflessioni multiple (figura 1.2) di cui , chiamato
prodotto effettivo trasmissività-assorbimento, tiene conto. Per un certo collettore dipende
dall‘angolo di incidenza della radiazione e quindi anche dalle frazioni di energia diretta,
diffusa e riflessa che interessano il collettore. Quindi non è il prodotto dei 2 coefficienti
ma un valore risultante dall‘interazione di svariati fattori. L‘energia perduta qp è data da:
q p  U c (T p  Ta )
(1.3)
Dove Ta è la temperatura ambiente, Tp è la temperatura media della piastra e dipende
soprattutto dai coefficienti di scambio termico convettivo e radiativi della piastra con
l‘ambiente; come tale esse si può ritenere costante solo in un campo di temperature non
troppo ampio.[3]
6
Fig.1.2: Fenomeni di assorbimento e riflessione nel collettore.
All‘aumentare della temperatura operativa risulta conveniente ricorrere sia alla piastra
selettiva, per ridurre il calore disperso per irraggiamento, che alla doppia copertura
trasparente, allo scopo di ridurre le dispersioni convettive.
1.2.1.2.
Collettori a tubi sottovuoto
Per ridurre al minimo le dispersioni per convezione si può passare ai collettori evacuati o
sottovuoto, in cui viene mantenuta una pressione inferiore a 10 mbar. In questo caso la
forma tradizionale dei collettori piani creerebbe problemi di tenuta e di resistenza della
lastra di vetro, per cui si preferisce usare la struttura tubolare (figura 1.3).
Questi collettori sono in genere composti da tubi di vetro speciale sottovuoto (le estremità
di un tubo vetro interno e di uno esterno vengono fuse tra loro e l'aria è estratta
dall'intercapedine) ricoperti da uno strato altamente selettivo. In questo caso l'assorbitore di
7
calore è di forma circolare ed è alloggiato all'interno della cavità sottovuoto dei tubi stessi.
Rispetto ai modelli piani, data l‘assenza di dispersioni convettive, mostrano un rendimento
superiore e, quindi, richiedono una minore superficie espositiva e sono capaci di trattenere
il calore accumulato anche in condizioni atmosferiche molto rigide, garantendo prestazioni
elevate e costanti durante l'intero arco dell'anno.
Generalmente sono forniti con concentratori a specchio retrostanti i tubi sottovuoto, in
modo da sfruttare al massimo la radiazione solare.
Fig. 1.3: Schema di un collettore sotto vuoto.
1.2.1.3.
Ricevitori ottici a concentrazione
Sono composti da uno specchio o da lenti ottiche che convergono i raggi solari verso
l‘assorbitore in cui scorre il fluido termovettore. Questi sistemi di captazione sono quindi
caratterizzati da un rapporto di concentrazione Cr, definito come il rapporto tra la superficie
di ammissione dell‘irraggiamento solare non concentrato e la superficie di assorbimento del
dispositivo, maggiore dell‘unità.
Poiché sfruttano la sola radiazione diretta, necessitano di dispositivi atti a mantenere in ogni
istante la superficie riflettente ortogonale alla direzione dei raggi solari.
8
Si distinguono in sistemi ad immagine, più comuni, che riproducono l‘immagine del sole
sul piano focale, ed a non immagine che concentrano casualmente i raggi solari
sull‘assorbitore. I collettori ad immagine possono essere a loro volta di tipo puntuale o
lineare, se convergono i raggi solari nel punto focale o in un asse passante per il fuoco.
1) I principali collettori ad immagine di tipo puntuale sono i concentratori parabolici,
caratterizzati da una superficie riflettente parabolica e da un assorbitore posto nella zona
focale.
2) Invece quelli lineari concentratori cilindro-parabolici, sono costituiti da una superficie
riflettente ottenuta per traslazione di una parabola lungo un asse passante per il suo fuoco e
ortogonale al piano che la contiene (figura 1.4). Nella zona focale della superficie riflettente
è posto l‘assorbitore lineare, in genere costituito da una tubazione in rame o acciaio inox
entro la quale scorre il fluido termovettore. Per ridurre le perdite per convezione la
tubazione può essere posta all‘interno di un tubo di vetro.
Fig.1.4: Concentratore cilindro-parabolico.[37]
Per quanto riguarda l‘inseguimento solare, il sistema può presentare l‘assorbitore fisso e la
parabola rotante oppure presentare l‘assorbitore solidale con la parabola a sua volta
soggetta al moto di rotazione. L‘inseguimento infine può essere su un asse, ed in tal caso
l‘assorbitore andrà orientato secondo la direzione est-ovest, o su due assi.
1.2.2. Il collettore solare piano nel dettaglio
9
Come abbiamo detto nel primo paragrafo (1.2.1)
L‘energia utile raccolta per unità di superficie può essere definita dalla differenza tra
qa e quella perduta q p , per convezione, conduzione ed irraggiamento
l‘energia assorbita
verso l‘ambiente esterno:
L‘energia assorbita
q a è data da:
qu  qa  q p
(1.1)
qu = qa - qp
qa      I 
L‘energia perduta
qp
(1.2)
è data da:
q p  U c (T p  Ta )
(1.3)
qu      I   U c (Tp  Ta )
(1.4)
Otteniamo quindi:
q u =(τα) Iβ - U c (Tp-Ta)
Questa legge non è utile sul piano operativo, dato che la temperatura media sulla piastra è
di solito incognita. Per questo in letteratura vengono utilizzate relazioni diverse che fanno
riferimento alla temperatura di ingresso e di uscita del fluido termovettore, espressioni che
nel nostro caso non sono applicabili. Vogliamo però porre l‘attenzione solo al sistema di
captazione dell‘energia solare. L‘intensità della radiazione riflessa Iρ è data da:


I            I 
(1.5)
10
Dove ρ è il coefficiente di riflessione del sistema di coperture trasparenti e τ è la
trasmissività. Trascurando l‘assorbimento di radiazione nel passaggio attraverso le
coperture trasparenti si può scrivere:
ρ=1-τ
sostituendo la (1.6) nella (1.5) si ricava:
1-(
    
I
)
I

(1.6)
(1.7)
-(1-  )
Allo scopo di aumentare , ovvero l‘energia che il collettore riesce ad assorbire, occorre
aumentare il più possibile (τα).
In un comune collettore solare piano, alle usuali temperature operative, le dispersioni
termiche sono imputabili solo per il 10% alle perdite conduttive posteriori e laterali; il
rimanente si suddivide all‘incirca equamente in perdite convettive e radiative. Perciò si
hanno vantaggi ridotti nell‘aumentare lo spessore di isolante oltre i 5-10 cm di solito
impiegati e si cerca invece di curare l‘eliminazione di tutti i ponti termici, soprattutto quello
derivante dal contatto dalla piastra con l‘involucro esterno, di solito metallico, del
collettore. All‘aumentare della temperatura le dispersioni per radiazione aumentano (lo
scambio radiativo dipende dalla quarta potenza della temperatura assoluta); pertanto può
risultare utile ricorrere ad una piastra che abbia una basse emissività nell‘infrarosso e un
grande coefficiente di trasmissione nel visibile. Una riduzione delle dispersioni è possibile
con il sistema a due coperture trasparenti che però penalizza in modo non trascurabile la
radiazione entrante. A questo proposito in figura 1.5 si osserva che il prodotto trasmissivitàassorbimento ad incidenza normale (τα)n varia da valori di circa 0,9 per una copertura
11
trasparente in vetro a basso contenuto di ossido di ferro con spessore di 6 mm a 0,8 per
doppia copertura.
Fig.1.5: Andamento del prodotto trasmissività-assorbimento al variare dell'angolo
d‘incidenza per sistemi ad 1,2,3 coperture in vetro di spessore 6 mm.
I valori che solitamente si incontrano per queste coperture sono riassunti nella
seguente tabella 1.1:
Copertura
Dispersione
termica
Piastra non selettiva
Singola copertura in vetro
7-8 W/m2K
trasparente
Piastra non selettiva
Doppia copertura in vetro
4-6 W/m2K
12
trasparente
Piastra selettiva
Singola copertura in vetro
4-6 W/m2K
trasparente
Piastra selettiva
Doppia copertura in vetro
3-5 W/m2K
trasparente
Per avere collettori ad elevate prestazioni conviene piuttosto impiegare una piastra
selettiva e limitare drasticamente le dispersioni per convezione, creando un livello
di vuoto sotto i 10 mbar fra piastra e vetro. Questo accorgimento non è però
applicabile nel caso dei collettori solari per ice-maker, perché essi devono
contemplare anche la possibilità di essere aperti per il raffreddamento ad aria. E‘
importante, inoltre, una buona conduttività termica della piastra, ottenibile
ricorrendo ad esempio a materiali metallici. Il rame presenta la migliore
conduttività, ma occorre contemplare anche l‘effetto del suo invecchiamento visto
che negli ice-maker la piastra è quotidianamente soggetta agli effetti dell‘aria
esterna; anche l‘alluminio ha valori molto elevati di conducibilità termica ma non
può essere usato insieme al metanolo [4], La più bassa conduttività dell‘acciaio è
compensabile con spessori minori. Va infine considerata l‘influenza della capacità
termica dell‘intero collettore. Apparentemente all‘aumentare della capacità le
prestazioni dovrebbero risultare penalizzate, stante l‘impossibilità di sfruttare brevi
periodi favorevoli, caratteristici in climi variabili, a causa della maggiore inerzia
del sistema. Resta il fatto che una valutazione sperimentale piuttosto accurata,
realizzata nell‘arco di un semestre nel clima di forte variabilità della Gran
13
Bretagna, ha mostrato la trascurabile influenza della capacità termica nelle
prestazioni di lungo termine di un sistema solare: Il confronto fra un collettore di
bassa capacità (8,8 KJ/K) e uno di elevata (40,9 KJ/K) ha indicato una differenza a
favore del primo inferiore al 2% nel semestre.
1.2.2.2 Accorgimenti costruttivi.
L‘efficienza ottenibile da collettori piani di configurazione tradizionale può essere
preventivamente calcolata a seconda della configurazione del collettore e delle
caratteristiche dei materiali impiegati. La piastra del collettore varia tra 1 m2 e 2
m2 per ragioni di facilità di costruzione , di montaggio e di messa in opera. La
copertura trasparente è in vetro con uno spessore di 4-5 mm in modo da resistere
agli agenti atmosferici. Essa è posta ad una distanza compresa tra 1 cm e 4 cm
dalla piastra e comunque, costruttivamente, non si scende al di sotto di 1 cm per
evitare il pericolo di contatto fra vetro e piastra e per beneficiare delle ottime
proprietà isolanti dell‘aria ferma. Se la distanza tra piastra e vetro aumenta oltre i
3-4 cm, vengono eccitati dei moti convettivi nell‘intercapedine che aumentano le
dispersioni termiche. Posteriormente alla piastra viene disposto uno strato di 5-10
cm di materiale isolante: questo viene separato spesso dalla piastra da un foglio di
materiale riflettente nell‘infrarosso verso la piastra (Fig. 1.1).
Isolante e piastra sono posti in una scatola di contenimento che funge anche da
supporto alla lastra di vetro. Il supporto del vetro è ottenuto quasi sempre da
profilatura dei bordi del contenitore. Il coefficiente di dilatazione del vetro è
diverso da quello del contenitore: deve perciò essere lasciato uno spazio libero per
consentire la dilatazione, con una guarnizione elastica, ad esempio in gomma
(Fig.1.6).
14
Fig.1.6: particolari interni di un collettore piano.
1.2.2.3. Le coperture trasparenti.
La copertura trasparente limita uno strato di aria tra piastra e copertura che riduce
le dispersioni termiche per convezione; essa deve presentare elevata trasparenza
per la radiazione solare e ridotta trasparenza per la radiazione infrarossa. Meritano
di essere approfonditi, tra i materiali impiegati per queste applicazioni, in
particolare il vetro e le materie plastiche che ultimamente sono sempre più
frequenti per queste applicazioni.
1) vetro
Il vetro Presenta un comportamento come quello appena descritto ed è perciò
molto utilizzato nei collettori solari. Esso conserva nel tempo le sue proprietà
ottiche ed è autoportanti, presenta un indice di rifrazione piuttosto alto e questo
comporta che una frazione importante di radiazione venga riflessa. Questa frazione
è, ad incidenza normale, dell‘ordine dello 0,08 ed aumenta all‘aumentare
dell‘angolo di incidenza e del numero di lastre di vetro da attraversare. Il vetro
15
assorbe una piccola quantità di radiazione (α = 0,04) a causa delle impurità in esso
contenute. Questa percentuale aumenta all‘aumentare dello spessore, dell‘angolo
di incidenza e del contenuto di ossido di ferro nel vetro. La trasmissività del vetro
ad incidenza normale è per una lastra semplice di circa 0,88 e diminuisce
all‘aumentare dell‘angolo di incidenza e del numero di lastre. Con vetro
contenente minori percentuali di ossido di ferro si può scendere sotto lo 0,02 per la
parte di radiazione assorbita. La riduzione della radiazione assorbita non è così
benefica come la riduzione della radiazione riflessa, infatti la radiazione assorbita
tende a riscaldare il vetro diminuendo le dispersioni convettive e radiative nei
confronti della piastra. Invece la radiazione riflessa è completamente perduta. I
possibili accorgimenti per ridurre il coefficiente di riflessione sono numerosi:
•
Applicazione di rivestimenti antiriflesso (impiegati ad esempio sulle lenti
fotografiche): la quantità di radiazione riflessa può passare dallo 0,08 allo 0,05. Vi
sono però problemi di costo e di durata di questi rivestimenti.
•
Trattamento superficiale del vetro con acido: ciò rende la superficie
lievemente porosa, portando il coefficiente di riflessione del vetro a valori dello
0,02. In questo caso viene migliorata anche la trasmissività arrivando fino allo
0,98.
Un difetto particolarmente evidente del vetro è la sua fragilità: per avere una
sufficiente resistenza è necessario impiegare spessori di 4-6 mm e questo aspetto
condiziona il peso della copertura che può essere di 10-16 kg/m, perciò si
limiterebbero i pericoli di rottura se venisse impiegato vetro temprato che dimostra
ottime doti di resistenza anche nei confronti di grandine
2) Materie plastiche
16
In alternativa all‘utilizzo del vetro, si è provato a ricorrere ad altri materiali, in
particolare alle materie plastiche, incontrando gravi problemi relativamente alla
resistenza alle alte temperature, conservazione delle proprietà ottiche,
particolarmente dopo lunga esposizione alla radiazione solare ultravioletta,
conservazione delle proprietà meccaniche, trasmissività alla radiazione infrarossa
(nelle materie plastiche è sempre leggermente più alta che nel vetro). Per questi
motivi solo pochi materiali plastici si possono considerare alternativi al vetro e tra
questi due in particolare sono quelli più usati: la vetroresina, che ha anche la
proprietà di essere autoportante e il polivinilfluoruro che invece non lo è.
La vetroresina, costituita da fibre di vetro in una matrice di resina di poliestere,
può avere buone caratteristiche di trasparenza, paragonabili al vetro. Tale proprietà
si degrada pochissimo nel tempo in realizzazioni opportune (un esempio di queste
è la realizzazione della vetroresina in Sun-lite). La vetroresina ha ottime
caratteristiche meccaniche per cui si può impiegare con spessori dell‘ordine di
1mm permettendo da una parte una drastica riduzione dei costi e del peso,
dall‘altra la flessione quando è realizzata in fogli piani, per questo è spesso
necessario impedirne la curvatura che potrebbe provocare il contatto con la piastra.
Inoltre rispetto al vetro, la vetroresina è meno resistente alle alte temperature.
Il polivinilfluoruro (commercializzato con il nome di Tedlar) è una materia
plastica con basso indice di rifrazione e quindi con basso coefficiente di
riflessione, dell‘ordine dello 0,04. Ha tuttavia una rilevante trasmissività
nell‘infrarosso che lo rende meno idoneo del vetro nella riduzione delle perdite
radiative. Dato che non è autoportante, esso va mantenuto in tensione, consentendo
allo stesso tempo la possibilità di dilatazione termica che è molto più ampia di
quella del vetro. Il Tedlar Può essere impiegato in spessori di 1/10 mm su collettori
a basso costo con sostituzione programmata ogni 2-3 anni, non resiste ad elevate
17
temperature interne del collettore e il limitato spessore non garantisce grande
resistenza agli agenti atmosferici.
Si è impiegato in alcuni casi un foglio di polifluoretilenepropilene (Teflon) per la
copertura intermedia interna data la sua buona resistenza alla temperatura e le
ottime caratteristiche ottiche, questo materiale non può essere invece utilizzato
all‘esterno a causa delle sue caratteristiche meccaniche scadenti.
1.2.2.4. La piastra assorbente.
La superficie delle piastre si può considerare per tutte le applicazioni pratiche un
corpo grigio. D‘altronde possono essere considerati in questo modo tutti i
componenti di un collettore ad eccezione della copertura in vetro, che come già
visto presenta un comportamento selettivo, indicando con questo termine la
proprietà di un corpo di essere trasparente allo spettro solare nelle lunghezze
d‘onda del visibile (per il vetro fino a 2,5µm) ed opaco allo spettro solare nelle
lunghezze d‘onda dell‘infrarosso (per il vetro sopra ai 2,5µm). Come risulta dalla
legge di Plank più del 95% dello spettro della radiazione solare si trova sotto i
2,5µm, mentre lo spettro della radiazione emessa da un corpo a 100°C è situato
quasi totalmente sopra i 2,5µm, perciò se il collettore è coperto da una lastra di
vetro, la radiazione solare visibile può entrare, riscaldando le superfici del
collettore sotto la copertura, ma l‘emissione infrarossa prodotta da queste superfici
per effetto del riscaldamento non può uscire dato che il vetro è opaco nei suoi
confronti (effetto serra). Se il vetro è opaco nell‘infrarosso esso deve
necessariamente essere nello stesso campo o molto assorbente o molto riflettente.
Il vetro è molto assorbente, presentando di solito un coefficiente di assorbimento
di 0,88, per questo il vetro è anche un buon emettitore. Ciò che si verifica è quindi
che la radiazione emessa dalle pareti del collettore viene assorbita dalla lastra di
18
vetro che si riscalda e disperde calore per convezione con l‘aria esterna e per
radiazione con la volta celeste. Tra i due tipi di perdite, le dispersioni per
radiazione risultano quasi il doppio di quelle per convezione; eliminando quindi la
copertura in vetro aumenterebbero le dispersioni per convezione, essendo la
funzione svolta dalla copertura in vetro quella di riparare la piastra soprattutto
dalle dispersioni dovute al movimento dell‘aria esterna. Se invece si volessero
ridurre le dispersioni per radiazione è necessario modificare le proprietà radiative
della piastra o del vetro.
Le caratteristiche principali che deve avere una piastra assorbente sono quelle di
assorbire la radiazione solare e di trasmettere l‘energia raccolta ad un fluido
termovettore o ad un solido al suo interno, pertanto la piastra dovrebbe avere:
•
elevato coefficiente di assorbimento nello spettro solare;
•
bassa emissività nell‘infrarosso;
•
buona conduttività termica.
La piastra dovrebbe essere inoltre leggera, resistente alla temperatura e non
modificare le sue caratteristiche nel tempo. Potrebbe per questo essere usata una
piastra metallica per le sue caratteristiche di buona conducibilità e resistenza a
pressione e temperatura. Lo scambio termico per radiazione tra piastra alla
temperatura Tp(K) e vetro alla temperatura Tc(K) si può calcolare da:
q=
 (Tp4 - Tc4 )
1
p
+
1
c
(1.8)
-1
Dove :
19
σ = 5,67*10-8W/m2K4 è la costante di Boltzmann
εp = emissività della piastra
εc = emissività del vetro
Una riduzione di tale scambio si può ottenere per emissività più basse della piastra
o del vetro. Nelle applicazione pratiche si sceglie quasi sempre la piastra come
elemento selettivo. La piastra possiede un elevato coefficiente di assorbimento nel
visibile, quindi una elevata emissività nella stessa banda, la proprietà che invece si
richiede è una bassa emissività nell‘infrarosso e quindi un basso coefficiente di
assorbimento nella stessa banda. Questo diverso comportamento nei due campi
spettrali, ovvero elevato assorbimento nel visibile e basso assorbimento
nell‘infrarosso, viene indicato con il nome di selettività, per questo la superficie è
detta selettiva. Le superfici metalliche hanno un basso assorbimento della
radiazione solare nel visibile, per questo la prima proprietà viene ottenuta
mediante verniciatura con vernici acriliche di colore nero opaco applicato a
spruzzo con trattamento a forno per consentire la loro durata fino a temperature di
esercizio di 200°C, in questo modo si raggiungono coefficienti di assorbimento di
0,95-0,98. Questi trattamenti presentano però anche un‘emissività nell‘infrarosso
superiore a 0,90 che può essere abbassata solo modificando la piastra metallica con
appositi trattamenti. Riguardo al peso esso dipende dal materiale impiegato e dal
suo spessore e risulterà inferiore per piastre in rame, nelle quali l‘elevata
conducibilità permette un uso di spessori minori, e in alluminio, con valori intorno
a 3-5 kg/m2 mentre l‘acciaio implica i pesi maggiori con valori di 15-20 kg/m2.
Molta attenzione va data al problema della corrosione delle piastre metalliche,
soprattutto nell‘alluminio e nell‘acciaio in cui questo fenomeno può essere molto
esteso. Per il rame invece vi sono realizzazioni di collettori realizzati in questo
materiale collegati a tubazioni in altro materiale affetti da forte corrosione
20
galvanica a causa della differenza di potenziale elettrico tra i due metalli
soprattutto in presenza di umidità. Dato l‘elevato costo del rame vengono
realizzate con questo materiale solo i collettori poi collegati alle tubazioni di
alluminio.
Quasi tutte le metodologie per ottenere la selettività della piastra sfruttano
l‘accoppiamento di una superficie metallica avente caratteristiche molto riflettenti
e quindi poco emittenti con un rivestimento non metallico trasparente
nell‘infrarosso ed assorbente nel visibile.
Otteniamo superfici selettive tramite varie soluzioni:
1)
Selettività intrinseca del materiale;
2)
Accoppiamento del materiale assorbente nel campo del visibile e
trasparente nell‘infrarosso
3)
con una superficie metallica riflettente;
Deposizione su superfici metalliche di rivestimenti di opportuno spessore
che provochino interazioni tra i raggi solari di interferenza distruttiva;
4)
Rugosità controllata;
5)
Dispersioni di particelle metalliche su matrici metalliche o dielettriche.
1) Il primo metodo fa utilizzo nella realizzazione della piastra di sostanze che
presentano in partenza caratteristiche selettive. Il Carburo di Afnio ha una
remissività di 0,1 nell‘infrarosso e 0,7 nel visibile, il Biossido di Stagno
(SnO2) e l‘ossido di indio (In2O3) sono trasparenti nel visibile e riflettenti
nell‘infrarosso. Essi si prestano come rivestimenti interni della copertura
trasparente perché il loro elevato indice di rifrazione comporta una grande
riflessione della radiazione solare incidente.
2) Il secondo metodo accoppiamo il metallo ad un materiale semiconduttore,
rivestendo così la superficie metallica molto riflettente (può essere ad esempio
21
lucidata) con uno strato di materiale trasparente nell‘infrarosso e molto
assorbente nello spettro solare. Questo ultimo materiale funge da assorbitore
della radiazione solare, ma presenta bassa emissività nell‘infrarosso. Si ha
emissione infrarossa della superficie metallica attraverso lo strato trasparente,
ma, poiché tale superficie è molto riflettente, ha una ridotta emissività.
L‘esempio più comune di queste coppie sono i metalli ossidati nei quali la
loro superficie è ricoperta da uno strato di ossido che ha spesso le
caratteristiche desiderate ma in questo caso si hanno valori del coefficiente di
assorbimento nello spettro solare attorno a 0,75. Per ottenere migliori risultati
si deve realizzare la deposizione di un semiconduttore su una superficie
metallica. I semiconduttori più usati sono silicio, germanio e solfuro di
piombo. Impiegati con successo sono anche gli ossidi di rame e di cromo e i
solfuri di zinco e di nickel. La deposizione può avvenire secondo svariate
procedure, come deposizione chimica di vapori, elettrodeposizione,
deposizione sotto vuoto.
3) Metodo dell‘interferenza distruttiva sfrutta l‘interferenza ottica fra strati
alternati di metallo e dielettrico (Fig.1.7).
Fig.1.7: Metodo dell‘interferenza distruttiva.
22
Si creano così interfacce tra materiali di caratteristiche ottiche diverse,
influenzando l‘ampiezza e la fase delle onde riflesse. Le onde luminose sono
riflesse dallo strato metallico più basso. Con spessori e materiali opportuni si
provocano fenomeni di interferenza distruttiva di queste onde riflesse, da cui
si ottiene un efficace assorbimento della radiazione solare. I dielettrici più
impiegati sono Ossidi di Cromo e di Rame con un metallo che può essere
Nickel, Cromo o Rame.
4) Quello della rugosità controllata nel quale si sfrutta la differente lunghezza
d‘onda tra radiazione infrarossa e radiazione visibile. Una superficie può
risultare rugosa per la radiazione solare, ma se le asperità sono di dimensioni
inferiori alla lunghezza dell‘onda infrarossa, per questa la superficie può
risultare speculare. Le asperità creano piccole cavità dove la radiazione solare
subisce riflessioni multiple e viene in parte assorbita ma la radiazione
infrarossa non risente delle piccole asperità. I risultati migliori sono stati
ottenuti tramite deposizione di ossidi di rame su base metallica.
5) L‘ultimo metodo consiste nella dispersione di particelle non omogenee molto
piccole in una matrice solitamente metallica. Queste particelle provocano
diffrazione della luce dello spettro solare lasciando inalterato l‘elevato
coefficiente di riflessione nell‘infrarosso della matrice metallica. Si impiegano
ad esempio, particelle di calcio, vanadio, niobio su matrice di rame.
Da alcuni anni in commercio esistono svariati tipi di superfici selettive.
Solitamente le prestazioni di una superficie selettiva vengono caratterizzate
dal rapporto fra il coefficiente di assorbimento nello spettro solare e
l‘emissività nell‘infrarosso. Questo è tuttavia un indice poco significativo
perché non fornisce informazioni sui valori singoli di emissività ed
23
assorbimento. Quasi sempre le superfici selettive presentano un coefficiente di
assorbimento leggermente più piccolo delle superfici annerite, questo perché il
passaggio da assorbimento massimo a minimo avviene ad una lunghezza
d‘onda che va sempre ad interessare anche una parte dello spettro solare.
Perciò i valori più comuni di assorbimento vanno da 0,8, valore di
assorbimento molto penalizzante, a 0,9 per superfici selettive, quando le
vernici nero opaco applicate sui collettori riescono a volte a superare 0,95,
restando sempre sopra lo 0,9. Un accorgimento impiegabile potrebbe essere
quello di corrugare microscopicamente in tanti piccoli solchi la piastra
assorbente per provocare riflessioni multiple e di conseguenza aumentare
l‘assorbimento, ma questo metodo provoca da una parte una crescita del
valore di emissività effettiva accettabile solo se il valore di partenza di questa
è molto basso, dall‘altra un miglioramento dello scambio termico sulla piastra.
Quasi tutte le superfici selettive sono ottenute con procedimenti chimici a cui
seguono trattamenti termici di stabilizzazione. Benché le caratteristiche
ottiche più favorevoli si ottengano per interferenza ottica distruttiva, l‘alto
costo del procedimento ne sconsiglia l‘impiego commerciale. Le metodologie
più comuni sono l‘accoppiamento di materiale assorbente con metallo
riflettente e superfici a rugosità controllata. I tre trattamenti più comuni sono
tutti d‘accopiamento (2):
2-a) trattamento con nickel nero (black nickel, procedimento Tabor);
2-b) trattamento con cromo nero (black chrome, procedimento Harshaw);
2-c)trattamento con rame nero (copper back, procedimento Ebonol).
In dettaglio:
2-a) Le superfici al nickel nero (nickel e solfuri di zinco e di nickel) sono state
le prime realizzate. In esse uno strato di nickel nero è posto per
24
elettrodeposizione su un substrato di rame o di acciaio. In questo modo si
ottiene un coefficiente di assorbimento di 0,95 e un‘emissività di 0,07.
2-b) Le superfici al cromo nero, invece, sono realizzate per deposizione di uno
strato di ossidi di cromo su un substrato di rame, acciaio o alluminio anche se
esistono altre modalità di realizzazione del trattamento, le quali possono
influire in modo rilevante sulle prestazioni della piastra. Su acciaio otteniamo
un‘emissività di 0,07 e un assorbimento 0,91, su rame un‘emissività che va da
0,08 a 0,15 e un assorbimento di che va da 0,92 a 0,95 con ottime proprietà di
stabilità in aria e resistenza ad elevate temperature.
3-c) Infine le superfici al rame nero ottenute per deposizione di ossidi di rame
su rame raggiungono un assorbimento di 0,88 con un‘emissività di 0,08.
Il costo dei trattamenti appena detti è il 30-40% del costo della piastra e a
questa difficoltà economica si aggiunge la difficoltà tecnica di questi
trattamenti di non poter essere realizzabili in piccole officine.
Da qualche tempo sul mercato esiste anche un rivestimento selettivo
applicabile su acciaio, alluminio e rame il cui nome commerciale è Maxsorb.
Esso consiste in uno strato di ossido di nickel su nickel, con un foglio
risultante di spessore di 10µm applicato su un adesivo siliconico (viene
venduto in rotoli al prezzo di 30 euro circa al metro quadro) e poi applicato
sulla piastra. L‘effetto selettivo è dovuto alla struttura microscopica
dendritica, la superficie appartiene perciò alla famiglia delle superfici a
rugosità controllata. Sono stati dichiarati coefficienti di assorbimento di 0,97
con emissività 0,12 e buona stabilità alla temperatura. Alla stessa famiglia con
rugosità controllata appartiene un‘altra superficie detta commercialmente
25
Coppersun probabilmente costituita da ossidi di rame su rame di cui non sono
stati dichiarati i valori di assorbimento ed emissività.[5], [6], [3]
1.3. panelli fotovoltaici ([7]
1.3.1.Effetto fotovoltaico
L'effetto fotovoltaico è un processo fisico in grado di convertire l'energia
solare in energiaelettrica.
È basato sulle proprietà di alcuni materiali semiconduttori, in grado di
convertire l'energia dalla radiazione solare in energia elettrica, senza parti
meccaniche in movimento e senza l'uso di alcun combustibile.
Questi dispositivi sono fabbricati a partire da materiali semiconduttori, come
il silicio (Si), l'arsenurio di gallio (GaAs) e il solfato di rame (Cu2S).
1.3.2. Tipi di celle fotovoltaiche
La cella fotovoltaica o cella solare è l'elemento base nella costruzione di un
modulo fotovoltaico.
In una cella fotovoltaica, i fotoni della luce solare incidente spezzano i legami
degli elettroni del semiconduttore, consentendo così agli elettroni di muoversi
liberamente nel semiconduttore. Le posizioni lasciate libere dagli elettroni
agiscono come cariche positive e prendono il nome di "lacune".
Le celle fotovoltaiche consistono generalmente in due regioni sottili, una
sopra all'altra, ognuna dotata di impurità aggiunte appositamente chiamate
droganti. Il risultato è che una regione è di "tipo n", avendo un eccesso di
26
elettroni (negativi), mentre l'altra è di "tipo p", avendo un'eccesso di lacune
positive.
Questa struttura a 2 regioni, chiamata giunzione p-n, produce un campo
elettrico interno.Quando i fotoni creano elettroni liberi e lacune in prossimità
della giunzione p-n, il campo elettrico interno li fa muovere in direzioni
opposte; gli elettroni si muovono verso il lato n e le lacune si muovono verso
il lato p. Viene quindi generata una tensione (forza elettromotrice, f.e.m.) fra
le regioni p ed n, con il lato p positivo ed il lato n negativo.
1.3.2.1. Il Silicio Cristallino
Attualmente il materiale più usato è lo stesso silicio adoperato dall'industria
elettronica.
Il processo più comunemente impiegato per ottenere silicio monocristallino
per uso elettronico parte dalla preparazione di silicio metallurgico (puro al
98% circa), mediante riduzione della silice (SiO2) con carbone in forni ad
arco.
Dopo alcuni processi metallurgici intermedi, consistenti nella purificazione
del silicio metallurgico a silicio elettronico (processo Siemens) e conversione
del silicio elettronico a silicio monocristallino (metodo Czochralskj), vengono
ottenuti lingotti cilindrici (da 13 a 30 cm di diametro e 200 cm di lunghezza)
di silicio monocristallino, solitamente drogato p mediante l'aggiunta di boro.
Questi lingotti vengono quindi ‗affettati' in wafer di spessore che va dai 0,25
ai 0,35 mm. Da alcuni anni l'industria fotovoltaica sta sempre più utilizzando
il silicio policristallino, che unisce ad un grado di purezza comparabile a
quello del monocristallino costi inferiori. I lingotti di policristallino, anch'essi
di solito drogati p, sono a forma di parallelepipedo e vengono sottoposti al
27
taglio, per ottenerne fette di 0,2÷0,35 mm di spessore. Per fabbricare la cella,
la fetta viene prima trattata con decapaggio chimico al fine di eliminare
eventuali asperità superficiali e poi sottoposta al processo di formazione della
giunzione p-n. Il drogaggio avviene per diffusione controllata delle impurità
in forni. Segue quindi la realizzazione della griglia metallica frontale di
raccolta delle cariche elettriche e del contatto elettrico posteriore, per
elettrodeposizione o per serigrafia.
Fig1.8-a: Cella Policristallina.
1.3.2.2.
Fig.1.8-b: C. Monocristallina.
I film sottili (Thin Film)
Questa tecnologia sfrutta la deposizione (ad esempio su vetro) di un
sottilissimo strato di materiali semiconduttori che può essere comunque silicio
(in questo caso prende il nome di silicio amorfo, Si-a) o altre categorie di
semiconduttori. Tale tecnologia punta alla riduzione del costo della cella e alla
versatilità d‘impiego (ad esempio la deposizione su materiali da utilizzare
28
quali elementi strutturali delle facciate degli edifici), anche se, per quanto
riguarda sopratutti il Si-a resta da superare l‘ostacolo rappresentato dalla bassa
efficienza.
La tecnologia a film sottile inoltre può risolvere il problema
dell‘approvvigionamento del materiale, in quanto, comportando un consumo
di materiale molto limitato (in questo caso la ‗fetta‘ ha uno spessore
ridottissimo dell‘ordine di pochi micron), potrebbe permettere lo sviluppo di
processi produttivi dedicati che non dipendano dall‘industria elettronica.
Infine, utilizzando questa tecnologia, è possibile ottenere moduli leggeri e
flessibili.
I film sottili vengono attualmente prodotti utilizzando:
1) Silicio amorfo, in cui gli atomi di silicio vengono deposti chimicamente
in forma amorfa, ovvero strutturalmente disorganizzata, sulla superficie di
sostegno. Questa tecnologia impiega quantità molto esigue di silicio (spessori
dell'ordine del micron).
2) CIS (rame, indio selenio), il primo tra i film sottili realizzati con materiali
diversi dal silicio ad arrivare sul mercato.
3) CIGSe (rame, indio, gallio, selenio), una delle tecnologie che ha avuto più
sviluppo negli ultimi anni.
29
Fig.1.9: Film sottile fotovoltaico, CIGSe.
4) CdTe (cadmio, tellurio) sono i pannelli a film sottile più economici e col
più basso rendimento termodinamico, sono sospettati di produrre effetti tossici
sulla salute, in realtà il cadmio (metallico) è un materiale tossico, ma il
composto con il tellurio è stabile. Data la struttura della cella inoltre è
difficilmente disperso nell'ambiente.
5) CdS (cadmio, zolfo) microcristallino, che presenta costi di produzione
molto bassi in quanto la tecnologia impiegata per la sua produzione non
richiede il raggiungimento delle temperature elevatissime necessarie invece
alla fusione e purificazione del silicio. Esso viene applicato ad un supporto
metallico per spray-coating, cioè viene letteralmente spruzzato come una
vernice. Anche in questo caso esistono potenziali rischi per la salute
legati alla tossicità del cadmio.
30
Fig.1.10: Film sottile fotovoltaico i CdTe / CdS.
6) GaAs (gallio, arsenio), una lega binaria con proprietà semiconduttive, in grado
di assicurare rendimenti elevatissimi. Viene impiegata soprattutto per
applicazioni militari o scientifiche avanzate (come missioni automatizzate di
esplorazione planetaria o fotorivelatori particolarmente sensibili). Tuttavia il
costo proibitivo del materiale monocristallino a partire dal quale sono
realizzate le celle, lo ha destinato ad un impiego di nicchia.
1.3.2.3.
Il CPV (fotovoltaico a concentrazione)
Consiste nell'uso di lenti fresnel o specchi per convogliare quanta più luce possibile su celle
dalle efficienze altissime e sistemi d‘inseguimento per massimizzare l'irraggiamento solare.
Caratteristica comune l'uso di celle fotovoltaiche di dimensioni piccole e altissime
efficienze. La tipologia su cui ci si sta focalizzando maggiormente sono le cosiddette celle
multi-junction, che hanno raggiunto valori di efficienza superiori al 40% (43,5% il record).
31
Fig.1.11-a/b: CPV, la radiazione solare viene concentrata tramite specchi o lenti su celle ad
alta efficienza in GaAs.
1.3.3. Moduli e impianti fotovoltaici in silicio cristallino
1.3.3.1 Moduli fotovoltaici
Le celle solari costituiscono un prodotto intermedio dell'industria fotovoltaica: forniscono
valori di tensione e corrente limitati in rapporto a quelli normalmente richiesti dagli
apparecchi utilizzatori, sono estremamente fragili, elettricamente non isolate e prive di un
supporto meccanico. Esse vengono quindi assemblate in modo opportuno a costituire
un'unica struttura: il modulo fotovoltaico.
Un modulo FV in silicio cristallino tipicamente è composto da:
•
Vetro (i moduli costruiti in Italia abitualmente usano vetro da 4 mm di spessore)
•
Etilene vinil acetato - EVA
•
Celle mono o policristalline
•
EVA
•
Backsheet (copertura di fondo)
I moduli a film sottile, invece sono caratterizzati da un supporto rigido sul quale è
32
depositato il materiale fotovoltaico, possono presentarsi in forme diverse a volte anche
integrate in elementi architettonici o in oggetti d'uso.
Fig. 1.12-a: esploso panello policristallino.
Fig. 1.12-b: panello al silicio policristallino.
33
1.3.3.2. Generatore fotovoltaico
Collegando in serie-parallelo un insieme opportuno di moduli si ottiene un generatore o un
campo fotovoltaico, con le caratteristiche desiderate di corrente e tensione di lavoro. I suoi
parametri elettrici principali sono la potenza nominale, che è la potenza erogata dal
generatore in condizioni nominali standard (irraggiamento di 1000 W/m2 e temperatura dei
moduli di 25°C) e la tensione nominale, tensione alla quale viene erogata la potenza
nominale. I moduli o i pannelli sono montati su una struttura meccanica capace di
sostenerli e ancorarli. Generalmente tale struttura è orientata in modo da massimizzare
l'irraggiamento solare.
Fig.1.13: Generatore fotovoltaico.
1.3.3.3. Impianto fotovoltaico
Si definisce impianto o sistema fotovoltaico un insieme di componenti meccanici, elettrici
ed elettronici che concorrono a captare e trasformare l'energia solare disponibile,
34
rendendola utilizzabile sotto forma di energia elettrica. Tali sistemi, indipendentemente dal
loro utilizzo e dalla taglia di potenza, possono essere divisi in due categorie:
Isolati (stand alone) composti da:
•
Moduli fotovoltaici;
•
Regolatore di carica;
•
Inverter;
•
Sistema di accumulo (batterie);
In tale tipologia di impianti, l'energia prodotta dai moduli fotovoltaici viene immagazzinata
in batterie di accumulo. Il carico viene alimentato, attraverso il regolatore di carica,
dall'energia accumulata nelle batterie. Il regolatore di carica serve sostanzialmente a
preservare gli accumulatori da un eccesso di carica ad opera del generatore fotovoltaico.
Fig.14-a: Impianto ‗stand alone‘.
Connessi in rete (grid connected), composti da:
•
Moduli fotovoltaici;
35
•
Inverter per la connessione in rete;
•
Dispositivo di interfaccia con la rete elettrica;
•
Contatore di energia bidirezionale;
L'inverter è un componente tra i più importanti nei sistemi collegati in rete perché
massimizza la produzione di elettrica del dispositivo fotovoltaico ed ottimizza il passaggio
di energia tra il modulo fotovoltaico ed il carico (tracking). Trasforma, infatti, l'energia
continua prodotta dai moduli (12V, 24V, 48V) in energia alternata (generalmente 220V)
per alimentare il
carico-utente e/o immetterla nella rete.
Fig.14-b: Impianto ‗grid connected ‗.
36
Capitolo 2.
Adsorbimento e Assorbimento
2.1. Adsorbimento
2.1.1. Principio di funzionamento
Il di principio funzionamento é basato sulle proprietà fisiche che hanno alcuni solidi di
fissare sulla loro superficie delle molecole di gas. Tali sostanze vengono comunemente detti
adsorbenti e la sostanza in essi adsorbita viene detta adsorbato (il refrigerante) che viene
usato di solito al interno di un ciclo frigorifero ad assorbimento.
Il fatto che questo processo di adsorbimento avvenga in modo esotermico e la possibilità di
rigenerare l‘adsorbitore tramite riscaldamento in modo che possa adsorbire ciclicamente,
suggerisce la possibilità di utilizzare tali processi in un sistema di conversione e
conservazione dell‘energia [8],[9].
La scelta della coppia adsorbente/adsorbato da utilizzare in ciascuna diversa applicazione di
questa tecnologia può ricadere su varie opzioni. La più comune coppia utilizzabile è quella
zeolite/acqua, le zeoliti, infatti, si prestano alla produzione del freddo su vasta scala per le
loro caratteristiche di facile sintesi industriale e per il fatto che mantengono inalterate le
loro caratteristiche termofisiche permettendone l‘utilizzo in un infinito numero di cicli
successivi. Oltre a questa coppia vanno citate altre combinazioni come la coppia gel di
silice/acqua e la coppia carbone attivo/metanolo, che si sono dimostrate vantaggiose in
molte applicazioni.
37
2.1.2. Materie Adsorbenti (e fluidi refrigerante abbinati a loro)
2.1.2.1. Zeolite
Le zeoliti sono un gruppo di minerali, allumino silicati, microporosi, idrati, dalla struttura
molte varietà non sono ancora conosciute, ma che si possono schematizzare in modo
semplice come un assembramento tridimensionale infinitamente esteso di tetraedri di SiO4
e AlO4 uniti attraverso atomi di ossigeno negli angoli delle unità strutturali (fig. 2.1). Tale
disposizione comporta l‘esistenza di un‘alta densità di canali e cavità bidimensionali di
sezione regolare che possono ospitare molecole d‘acqua (che è possibile allontanare
scaldando a qualche centinaio di gradi), e i cationi disciolti in essa. Le piccole dimensioni
di queste aperture, conferiscono la caratteristica selettività nei confronti delle varie
molecole (fig. 2.2). Le zeoliti possono essere facilmente reperite in natura, ma anche
prodotte sinteticamente a bassi costi, e oltre che alla riproduzione del minerale esistente in
natura, la particolare struttura a blocchi del cristallo, ha permesso la progettazione e
costruzione in laboratorio di nuovi tipi di zeolite, con caratteristiche migliori rispetto a
quella esistente in natura, ed in particolare, tali strutture di sintesi, presentano delle
dimensioni delle cavità più regolari con dimensioni che vanno dai 3 ai 10 Å.
Attualmente sono state classificate circa 40 tipi di zeoliti naturali, mentre ne sono state
sintetizzate in laboratorio circa 150 tipi. L‘esempio più conosciuto è quello delle zeoliti di
tipo A che vengono ampiamente utilizzate nelle applicazioni ingegneristiche, oltre che ai
tipi X e Y che differiscono per differenti valori del rapporto Si/Al.
38
Fig.2.1: Zeolite, unità tetraedrica fondamentale: in rosso sono rappresentati
gli atomi di ossigeno, al centro del tetraedro si trova un atomo di Si o Al.
La caratteristica principale di questi minerali è, quindi, oltre al loro comportamento da
setaccio molecolare (molecular sieve), la loro notevole capacità di adsorbimento nei
confronti soprattutto di molecole polari come l‘acqua, che presenta il più alto grado di
adsorbimento preferenziale.
E‘ da sottolineare che il fenomeno di adsorbimento/desorbimento ha una sua valenza
energetica, in quanto esotermico/endotermico. Inoltre durante l‘adsorbimento il calore non
viene sviluppato costantemente, ma presenta un picco all‘inizio del processo, per poi
decrescere con regolarità; condizioni opposte si avranno nella fase desorbimento.
L‘entalpia che caratterizza il processo di adsorbimento (o desorbimento) risulta essere
funzione di pressione, temperatura e uptake, ovvero, contenuto di adsorbato.
Figura 2.2: Strutture elementari assemblate a
formare cavità regolari.
39
Si fa notare che questo valore di entalpia nel processo di adsorbimento è sempre superiore
di quello dei processi di evaporazione e condensazione dell‘acqua, poiché è maggiorato,
rispetto a questi, dell‘entalpia di legame tra la molecola d‘acqua e la struttura cristallina
della zeolite. Si ha per tanto che:
H  f (W ) (2.1)
W  f (T , p) (2.2)
dove sono:
H la variazione di entalpia del processo espressa in J/kg;
W il valore dell‘uptake espresso in percentuale di adsorbato su unità di massa di
adsorbente anidro [100 kg kg-1];
p e T la pressione [mbar] e la temperatura [K] della zeolite durante il processo;
Note punto per punto le funzioni (2.1) e (2.2), il sistema di adsorbimento risulta
completamente conosciuto e ne possono essere calcolate analiticamente le caratteristiche.
E‘ importante notare che il calore di adsorbimento/desorbimento in gioco nel processo è
molto elevato e che l‘adsorbimento non comporta aumenti del volume apparente
dell‘adsorbente. La zeolite, inoltre, non è ne tossica ne corrosiva, facilmente trattabile,
economica, sintetizzabile in maniera economica e conserva le sue caratteristiche chimicofisiche nel tempo permettendo una valida applicazione nelle macchine ad adsorbimento con
notevoli garanzie di costanza delle prestazioni.
2.1.2.2. Gel di silice.
Tale materiale è una forma deidratata dell‘acido silicico colloidale. La sua composizione
chimica può essere espressa dalla formula SiO2.nH2O. L‘acqua presente nella formula è
ammonta tipicamente nel composto al 5% in peso. Il suo primo utilizzo risale alla prima
guerra mondiale quando fu impiegato nelle maschere a gas proprio grazie alla facoltà di
40
mostrare legami di tipo debole con alcuni tipi di sostanze volatili. Nonostante le sue
proprietà adsorbenti siano inferiori a quelle del carbone attivo, il gel di silice è comunque
ancor oggi impiegato in numerosi campi. Possono essere utilizzati numerosi metodi per
l‘ottenimento di questo materiale, uno di essi riguarda, come già detto, il trattamento
dell‘acido silicico che polimerizza e condensa in una soluzione acquosa sotto forma di
reticoli o catene di tetraedri di SiO4 formando particelle sferiche aventi un diametro
variabile dai 20 ai 200 Å. Il legame tra particelle adiacenti avviene con l‘eliminazione dei
gruppi idratanti cosicché la struttura finale risulta più robusta. Il materiale allo stato anidro
risulta avere quindi una struttura microporosa molto sensibile al pH dell‘ambiente e alla
presenza di cationi nella soluzione durante la precipitazione. La presenza di alcuni gruppi
idrati nella struttura finale conferisce al materiale un certo grado di polarità superficiale,
cosicché molecole di acqua, alcoli e fenoli possono essere adsorbiti dal gel di silice. Tale
materiale è usato oggi soprattutto come filtro essiccante in quelle applicazioni che
avvengono a basse temperature ed in cui è richiesta una elevata capacità di contenimento
dell‘adsorbato.
2.1.2.3. Carbone Attivo
Il carbone attivo è usualmente ottenuto dalla decomposizione termica di materiali
contenenti carbonio seguiti da processo di attivazione con vapore o anidride carbonica ad
elevata temperatura (700-1100°C). La struttura del carbone attivo è organizzata
essenzialmente in microcristalli di grafite, i quali sono agglomerati insieme con una
orientazione random. Sono proprio gli interstizi che si creano tra i cristalli a provocare la
microporosità del materiale. La superficie del carbone attivo è quindi non polare, sebbene
una leggera porosità è conferita dagli ossidi che si creano in superficie. Il risultato che si
ottiene mostra che il carbone attivo tende ad essere idrofobico ed organofilico. Per
decrementare la resistenza alla diffusione nell‘adsorbimento e nel desorbimento,
41
generalmente il materiale viene trattato provocando un allargamento dei pori e quindi un
migliore trasferimento di massa [10].
2.2. Assorbimento
2.2.1. Principio di funzionamento
Si basa sull‘affinità reciproca di alcune coppie di sostanze utilizzabili per la produzione del
freddo (cicli ad assorbimento). Il fluido di lavoro è una miscela composta da tale coppia in
cui il Refrigerante funge da soluto ed è disciolto in un opportuno solvente, detto
Assorbente, dal quale si può separare come vapore in seguito alla somministrazione di
calore.
La figura 2.3 mostra lo schema di un frigorifero ad assorbimento a ciclo intermittente ed il
suo funzionamento suddiviso nelle fasi di assorbimento e generazione. Durante la fase di
assorbimento il contenitore A, detto Assorbitore contiene il solvente, e assorbe i vapori di
refrigerante prodotti nell‘evaporatore B. Durante la fase di generazione A agisce come
generatore rilasciando, tramite somministrazione di calore dall‘esterno, il refrigerante allo
stato di vapore che ritorna alla fase liquida nel condensatore B. La valvola C ha il compito
di controllare la direzione del flusso di refrigerante.
Fig.2.3: Funzionamento del ciclo ad assorbimento intermittente.
42
Il processo di assorbimento del refrigerante è esotermico mentre quello di generazione è
endotermico; l‘energia termica richiesta per quest‘ultimo può derivare da una qualsiasi
fonte adeguata, come calore di scarto di un motore o di un impianto, calore da biomasse o
da radiazione solare.[11]
Oltre al funzionamento intermittente descritto i sistemi ad assorbimento possono operare a
ciclo continuo tramite l‘utilizzo simultaneo di due coppie di recipienti (A, B e A‘, B‘). La
figura 2.4 rappresenta lo schema relativo.
Fig.2.4: Sistema ad assorbimento a ciclo continuo.
2.2.2. Copie Refrigerante-Assorbente
La temperatura dell‘apporto termico necessario e la modalità di realizzazione degli attuali
impianti ad assorbimento dipende dalla coppia refrigerante-assorbente presa in
considerazione.
43
Attualmente vengono utilizzate quattro coppie:
Refrigerante
Assorbente
Applicazione
Ammoniaca (NH3)
Acqua (H2O)
Refrigerazione
Acqua
Bromuro di Litio (LiBr) o
Climatizzazione
LiCl
NH3
Solfocianato di sodio
Refrigerazione
(NaSCN)
CH3NH2
LiSCN o NaSCN
Refrigerazione
Tabella.2.1: coppie refrigerante-assorbente.
2.2.2.1. caratteristiche delle copie
Nella scelta dell‘appropriata coppia refrigerante-assorbente occorre prendere in
considerazione, oltre all‘elevata affinità reciproca, altre proprietà ritenute molto importanti:

Stabilità fisica e chimica dei fluidi, in modo da evitare la necessità di sostituzione
anche dopo lunghi periodi di funzionamento;

I fluidi non dovrebbero essere corrosivi;

Basso calore specifico ed elevato calore latente di vaporizzazione del refrigerante;

L‘assorbente non dovrebbe essere volatile, in modo che al generatore si separi solo
refrigerante;

Elevata solubilità dei fluidi, per evitare che la cristallizzazione non comprometta il
funzionamento della macchina;

Pressioni di lavoro leggermente superiori alla atmosferica, per non operare né
sottovuoto né a pressioni troppo elevate;

Dislivello tra alta e bassa pressione di ciclo contenuto, per limitare il lavoro di
pompaggio;
44

Non infiammabilità e scarsa tossicità dei fluidi.
2.2.2.2. Copie più usate
Sebbene nessuna coppia delle quattro copie visti prima soddisfi tutti i requisiti, due sono le
combinazioni che hanno incontrato grande favore nella tecnica e sono quelle più utilizzate:
1) Bromuro di litio-acqua
L‘acqua é il refrigerante ed il bromuro di litio (LiBr) é l‘assorbente: questo è un sale
igroscopico, solido a temperatura ambiente ma capace di dar luogo ad una soluzione liquida
se miscelato con vapore d‘acqua in un opportuno campo di temperature e concentrazioni.
Impiegando acqua come refrigerante il campo di lavoro della macchina è limitato a
temperature di evaporazione superiori agli 0 °C e l‘evaporatore va protetto dai bloccaggi
dovuti al congelamento, inoltre l‘intero ciclo avviene a pressioni inferiori all‘atmosferica.
Al crescere della temperatura di assorbimento cresce anche la concentrazione in sale:
conseguentemente la soluzione tende a cristallizzare, si separano cioè cristalli di sale, con
maggiore facilità, il che riduce ulteriormente il campo di lavoro. Perciò la temperatura di
assorbimento deve essere mantenuta sufficientemente bassa.
In compenso l‘acqua non è infiammabile né tossica e presenta un elevato calore di
vaporizzazione. Inoltre il bromuro di litio non è volatile, eliminando la necessità di organi
di rettifica. Il LiBr permette l‘uso di tubi e componenti in rame che attacca in misura
limitata alle temperature ordinarie, mentre alle temperature più alte il pericolo della
corrosione può essere evitato con l‘aggiunta di opportuni inibitori come il cromato di litio.
2) Acqua-ammoniaca
Invece qui l‘ammoniaca (NH3) é il refrigerante mentre l‘acqua funge da
45
assorbente. Con l‘ammoniaca si possono ottenere temperature di evaporazione molto più
basse che con l‘acqua e la macchina può essere raffreddata ad aria. L‘ammoniaca è però
tossica, altamente infiammabile ed inoltre comporta pressioni di condensazione abbastanza
elevate (oltre 10 ata). Questa coppia soffre poi della volatilità dell‘assorbente: le tensioni di
vapore dei componenti la miscela sono così vicine che dal generatore non si separa vapore
di refrigerante puro ma una miscela gassosa acqua-ammoniaca. La macchina deve perciò
prevedere una colonna di distillazione tra generatore e condensatore per rettificare il vapore
generato ed ottenere refrigerante puro, impedendo che l‘acqua arrivi all‘evaporatore.
Questo conferisce al sistema una maggiore complessità ed una minore efficienza. Si ricorda
inoltre la natura fortemente corrosiva dell‘ammoniaca che obbliga all‘uso di tubazioni e
componenti in acciaio.
Se infine si valutano le prestazioni del ciclo ideale per le due coppie si riscontra un COP
sensibilmente più elevato per la coppia acqua-bromuro di litio, a parità di tutti gli altri
parametri. [3]
46
Capitolo 3.
Cicli termodinamici
3.1. Componenti comuni
Per la scelta di questi componenti (Condensatore, Evaporatore, Valvola di laminazione), la
facciamo con un occhio di riguardo alla produzione di ghiaccio (che verrà trattata nei
capitoli 4,5,6) altrimenti l‘argomento é molto vasto ed esula dallo scopo principale della
tesi.
3.1.1. Il condensatore
Il condensatore è l‘organo necessario per realizzare il passaggio di fase da vapore a liquido
del fluido refrigerante attraverso una diminuzione di temperatura. Molto spesso accade che
la condensazione del vapore non si completa nel condensatore, per cui si può assistere al
passaggio di fase anche nell‘evaporatore. Questo fenomeno può essere evitato tramite
l‘utilizzo di un ricevitore e di una valvola a valle di questo. Teoricamente il ricevitore ha lo
scopo di raccogliere il condensato mentre la valvola (chiusa) ha lo scopo di impedire il
defluire di esso all‘evaporatore, ma questi organi possono essere utilizzati anche come parti
che, obbligando il vapore a stazionare fuori dall‘evaporatore, consentono la condensazione
completa del refrigerante.
Tra le caratteristiche principali richieste al condensatore per il buon funzionamento di tutto
l‘impianto si ricordano la migliore capacità possibile di smaltimento del calore verso
47
l‘ambiente, la compattezza della costruzione, l‘economicità e l‘assenza di reazioni nello
scambiatore che possono portare al deterioramento della struttura.
Il design del condensatore, al contrario di quanto avviene per il collettore, non riveste negli
impianti intermittenti un ruolo molto importante, perché la condensazione può avvenire in
un periodo molto lungo della giornata. Per questo qualsiasi scelta tecnica si adotti nella
realizzazione di questo scambiatore di calore è più che adeguata allo svolgimento del suo
compito[1], pero visto che lo smaltimento verso l‘ambiente esterno avviene senza
convezione forzata allora è consigliabile che sia leggermente sovradimensionato.
3.1.2. L‘evaporatore
La progettazione dell‘evaporatore, insieme a quella del collettore solare, riveste
indubbiamente un aspetto di primaria importanza dato che è il componente a più stretto
contatto con il fluido da refrigerare, e dalla sua efficienza di scambio termico dipende in
larga parte l‘effetto frigorifero ottenibile.
Oltre alle caratteristiche di buono scambio termico, compattezza, economicità e bassa
manutenzione già menzionate, per l‘evaporatore occorre aggiungere:
•
ridotta massa dello scambiatore di calore allo scopo di minimizzare il calore
sensibile da esso asportato per portarsi alla temperatura di lavoro;
•
buona maneggevolezza per rendere più facile l‘estrazione del ghiaccio prodotto,
nel caso si tratti di una macchina per la produzione di ghiaccio (ice-maker).
Riguardo la geometria dell‘evaporatore le soluzioni che si possono adottare sono
molteplici, come facilmente riscontrabile consultando la letteratura; si riportano di seguito
quelle più frequentemente adottate, specialmente negli ice-maker:
48
•
utilizzo di una geometria rettangolare\trapezoidale: permette di realizzare uno
scambio termico molto efficace con il fluido nella camera fredda, ma non è facilmente
utilizzabile (figura 3.1);
Fig.3.1: Sezione frontale dell‘evaporatore a geometria trapezoidale.
•
utilizzo di tubi disposti internamente alla camera fredda: consente un migliore
deflusso del vapore, ma comporta un maggiore ingombro nel caso di tubi a sezione
rettangolare;
•
utilizzo di un intercapedine, ricavata attorno alla camera fredda, come raccoglitore
del refrigerante liquido: caratterizzata da maggiore facilità di utilizzo e semplicità
costruttiva ma anche da una minore superficie di scambio rispetto alle soluzioni
precedenti.[1]
3.1.3. Valvola di laminazione
Scopo principale del dispositivo di laminazione è quello di assicurare una sufficiente
differenza di pressione tra la parte ad alta pressione e la parte a bassa pressione
dell‘impianto. Il metodo più semplice per ottenere ciò è quello di inserire un tubo capillare
tra il condensatore e l‘evaporatore. Il tubo capillare è tuttavia usato solamente in piccoli e
49
semplici impianti, quali frigoriferi domestici o simili, perché esso non è in grado di regolare
la quantità di liquido che viene iniettata nell‘evaporatore. Per tale scopo occorre usare una
valvola regolatrice e la più comune è quella di espansione termostatica, costituita da un
corpo valvola, un tubo capillare ed un bulbo. Il corpo valvola è installato sulla tubazione
del fluido liquido prima dell‘evaporatore ed il bulbo è posizionato sul tubo di uscita
dell‘evaporatore. Il bulbo tiene sotto controllo la temperatura di uscita dall‘evaporatore, in
particolare il surriscaldamento rispetto alla temperatura di evaporazione. Se il
surriscaldamento sale, al di sopra di un livello preimpostato, il bulbo invia un segnale al
corpo valvola che aumenta il flusso di fluido all‘evaporatore, viceversa, se scende fa si che
sia inviato meno liquido all‘evaporatore.
Fig.3.2: Valvola di espansione termostatica.
3.2. Ciclo ad Adsorbimento
3.2.1. Il ciclo elementare.
Nella sua configurazione più semplice la macchina ad adsorbimento è costituita da:
50
•
un letto adsorbente sul quale avvengono i processi di adsorbimento/desorbimento e
che realizza il collegato termico con la sorgente di calore.
•
un condensatore, collegato tramite una valvola al letto adsorbente, nel quale il
vapore condensa.
•
una valvola di laminazione per l‘abbassamento della pressione da quella di
condensazione a quella di evaporazione.
•
un evaporatore, collegato tramite una valvola al letto adsorbente, che permette
l‘evaporazione del fluido proveniente da condensatore.
Si fa notare che il letto adsorbente è collegato a due sorgenti termiche, una ad alta
temperatura (sorgente) che fornisce il calore di desorbimento ed una bassa temperatura
(utenza nel funzionamento da pompa di calore, ambiente nel funzionamento da frigorifero)
che smaltisce il calore di adsorbimento. Lo schema tipico di una macchina ad adsorbimento
a singolo letto adsorbente si può vedere nelle Fig. 3.3 e 3.4.
UTENZA
(effetto utile termico)
Qc
Zeolite
Vapore
Condensatore
A
C
Valvola di
laminazione
Qri + Qd
B
Evaporatore
D
Letto adsorbente
Qra + Qa
Qe
UTENZA
(effetto utile termico)
AMBIENTE ESTERNO
Fig.3.3: Schema di impianto a singolo letto adsorbente in funzionamento come
pompa di calore.
51
Si fa ancora notare che i livelli di temperatura a cui avvengono gli scambi temici nella
macchina schematizzata sopra sono essenzialmente quattro:
•
La sorgente termica scambia con il letto adsorbente il calore di riscaldamento
isosterico e di desorbimento alla temperatura Td che è la più alta a cui si porta l‘adsorbente
•
Il letto adsorbente scambia con l‘ambiente esterno (o con l‘utenza) il calore di
raffreddamento isosterico e di adsorbimento alla temperatura Ta.
•
Il calore latente di condensazione viene scambiato con l‘ambiente esterno (o con
l‘utenza) dal condensatore alla temperatura Tc ,che corrisponde alla temperatura di
condensazione dell‘adsorbato alla massima pressione di ciclo.
•
Il calore latente di evaporazione viene scambiato con l‘utenza (o con l‘ambiente
esterno) dall‘evaporatore alla temperatura Te che è la temperatura più bassa alla quale si
porta il letto adsorbente e che corrisponde alla temperatura di evaporazione dell‘adsorbato
alla minima pressione di ciclo.
In realtà nella pratica i livelli termici sono solamente tre, poiché Ta =Tc.
AMBIENTE ESTERNO
Qc
Zeolite
Vapore
Condensatore
A
C
Valvola di
laminazione
Qri + Qd
B
Evaporatore
D
Letto adsorbente
Qra + Qa
AMBIENTE ESTERNO
Qe
UTENZA
(effetto utile frigorifero)
Fig.3.4: Schema di impianto a singolo letto adsorbente in funzionamento come frigorifero.
52
Da quanto detto si può vedere che la macchina ad adsorbimento può funzionare sia come
pompa di calore servendo l‘utenza alla temperatura Ta = Tc, sia come macchina frigorifera,
rendendo disponibile l‘effetto utile frigorifero alla temperatura Te.
Nel capitolo precedente abbiamo stabilito il legame tra l‘entalpia e l‘uptake, e tra essa e la
pressione e temperatura con le seguenti relazioni:
H  f (W )
(3.1)
W  f (T , p)
(3.2)
Il funzionamento della macchina ad adsorbimento può essere descritto in dettaglio
seguendone le fasi su un diagramma di Clapeyron [ln(p), T] (fig. 3.5) sul quale sono state
riportate inoltre le curve di equilibrio solido/vapore, dette isostere, ed indicate con il
termine adimensionale W così definito:
W
massa di adsorbato
massa di adsorbente anidro
(3.3)
Le isostere sono caratterizzate da valori di (W = costante).
Il ciclo può essere suddiviso in quattro fasi:
•
Fase I o riscaldamento isosterico (tratto AB di fig. 3.5). Durante questa fase la
massa di adsorbente contenuta nel letto viene riscaldata isostericamente lungo l‘isostera
superiore (a maggiore contenuto di adsorbato). Le valvole A e B (fig. 3.3 e 3.4) sono
ambedue aperte in direzione della sorgente termica mentre le valvole C e D sono chiuse.
L‘intero letto adsorbente riceve dalla sorgente la quantità di calore sensibile Qri e passa
dalla pressione pe alla pressione pc.
53
•
Fase II o desorbimento isobarico (tratto BC di fig. 3.5). Raggiunta la pressione pc,
corrispondente alla tensione di vapore presente nel condensatore a temperatura Tc ,
l‘ulteriore calore Qd che la sorgente fornisce al letto adsorbente e che risulta essere
somma di una quantità di calore sensibile necessaria al letto adsorbente per passare dalla
TB alla Tmax, e di una quantità di calore DH(W)(W2-W1) corrispondente all‘entalpia di
desorbimento/adsorbimento, fa aumentare la pressione consentendo al vapore di fluire
verso il condensatore, attraverso la valvola C (fig. 3.3 e 3.4). Lo squilibrio termodinamico
venutosi a creare con tale spostamento permette all‘adsorbente di desorbire pressoché
isobaricamente. Il vapore giunto nel condensatore, condensa alle pressione e temperatura
qui presente, trasferendo il calore latente Qc di condensazione, alla temperatura Tc (punto
E in fig. 3.5), verso l‘utenza, nel caso di funzionamento come pompa di calore (fig. 3.3), o
verso l‘ambiente esterno nel funzionamento come frigorifero (fig. 3.4).
•
Fase III o raffreddamento isosterico (tratto CD di fig. 3.5). Il letto adsorbente si
raffredda lungo l‘isostera inferiore (a contenuto minimo di adsorbato). Le valvole A e B a
tre vie sono aperte in direzione dell‘utenza (o ambiente esterno) permettendo la
circolazione del fluido termovettore in direzione di questa e asportando la quantità di calore
Qra (fig. 3.3 e 3.4). Il letto si raffredda dalla Tmax fino alla temperatura TD del punto D a
cui corrisponde una tensione di vapore poco inferiore alla pressione presente
nell‘evaporatore che viene mantenuto alla temperatura Te da un fluido che ne asporta
continuamente calore.
•
Fase IV o adsorbimento isobarico (tratto DA di fig. 3.5). Raggiunta la pressione pe
il letto continua ad essere raffreddato cedendo all‘utenza la quantità di calore Qa (le valvole
B e C sono ancora aperte in direzione dell‘utenza o dell‘ambiente esterno). Attraverso una
successione di stati di equilibrio si ha il passaggio di vapore dall‘evaporatore al letto
adsorbente, attraverso la valvola D, permettendo l‘adsorbimento isobaro ed esotermico(
Come nella fase II, anche in questa fase il calore Qa ceduto dal letto all‘utenza risulta essere
54
somma di una quantità di calore sensibile, proveniente dal raffreddamento dalla
temperatura TD del punto D alla temperatura Ta minima di ciclo, e della quantità
DH(W)(W2-W1) Come nella fase II, anche in questa fase il calore Qa ceduto dal letto
all‘utenza risulta essere somma di una quantità di calore sensibile, proveniente dal
raffreddamento dalla temperatura TD del punto D alla temperatura Ta minima di ciclo, e
della quantità DH(W)(W2-W1).
Fig.3.5: Ciclo termodinamico, ideale di una pompa di calore ad adsorbimento
(caso: acqua=adsorbato = refrigerante).
Si fa notare che il calore pregiato Qri e Qd fornito alla macchina è quello alla temperatura
più alta Td, mentre l‘altra energia entrante nel sistema, Qe, è assolutamente gratuita in
quanto proviene dall‘evaporatore, a temperatura Te. Le quantità di calore Qra, Qa e Qc
prodotte dalla macchina, invece, vengono estratti alla temperatura intermedia Tc di fatto
coincidente con la temperatura Ta minima di ciclo. In fig.3.6 sono riassunti i livelli termici
delle diverse quantità di calore in gioco nel ciclo esaminato.
55
I coefficienti di performance, rispettivamente, nel funzionamento come pompa di calore e
come frigorifero, per quanto sopra detto, risultano essere:
COPrisc 
Qc  Qa  Qra
Qri  Qd
(3.4)
COPraff 
Qe
Qri  Qd
(3.5)
Riguardo la (3.4) si nota che il valore che questa formula restituisce è superiore all‘unità. In
realtà ciò non deve sorprendere, in quanto al denominatore non è stato riportata la quantità
di calore Qe in ingresso nel sistema poiché sottratta all‘ambiente gratuitamente e sfruttata
dall‘utenza a bassa temperatura. Da ciò si capisce che la macchina fin qui descritta funziona
in realtà come un amplificatore di energia, si ha cioè la possibilità di amplificare, per
esempio, l‘energia prodotta dalla combustione, in una caldaia, di metano o di un altro
combustibile equivalente.
Dalla (3.5) si vede che l‘effetto utile è qui costituito dalla sottrazione del calore Qe, per il
raffreddamento di ambienti, e il relativo coefficiente, nel caso specifico, è minore di uno.
Per il ciclo descritto si può anche definire un altro utile parametroefficienza
termodinamica, utile per il confronto con altre macchine frigorifere. Si può scrivere:

COP
COPCarnot
dove COP
Carnot
(3.6)
è il COP della macchina di Carnot operante nelle medesime condizioni
della macchina in esame.
56
Fig.3.6: Livelli termici delle quantità di calore entranti ed uscenti in una macchina ad
adsorbimento.
3.2.2. Termodinamica del ciclo elementare.
Come già visto, il ciclo termodinamico del materiale adsorbente, è delimitato da due
isobare e da due isostere, legate, tramite la variabile pressione, alla curva di equilibrio
dell‘acqua.
Prefissate le temperatura iniziali al condensatore (Tc) e quella all‘evaporatore (Te), infatti,
si possono determinare le pressioni massime (pc) e minime di ciclo (pe) essendo:
pc  f1 (Tc )
pe  f1 (Te )
(3.7)
dove f1(T) rappresenta la curva della tensione di vapore dell‘acqua (se funge da refrigerante
) in funzione della temperatura. [1]
57
Con riferimento alla Fig.3.5 si vede che le isobare corrispondenti alle pressioni pc e pe
intersecano la curva di equilibrio dell‘acqua nei punti E e F in corrispondenza alle
temperature Tc e Te. E‘ ovvio che, tra tutti i cicli possibili, realizzabili fra le pressioni pc e
pe, sono di interesse solo quelli per cui la temperatura di adsorbimento è sempre maggiore
uguale alla temperatura di condensazione ed in particolare si ha:
Ta  Tc
(3.8)
Tale ipotesi nasce dalla considerazione che, qualora la macchina venga utilizzata come
pompa di calore, sia il condensatore che l‘adsorbitore devono fornire calore all‘utenza e
pertanto è conveniente che ciò avvenga ad un‘unica temperatura.
La (3.8) comporta, quindi, l‘univoca determinazione dell‘isostera a contenuto maggiore
d‘adsorbato, W2. Questa risulta individuata dall‘intersezione dell‘isobara pe e
dell‘isoterma Ta (punto A in fig. 3.5). Per la chiusura del ciclo è necessario fissare anche
l‘isostera a minore contenuto d‘acqua, W1, che può rimanere come variabile indipendente,
eventualmente funzione di Tmax, o che può essere calcolata, similmente a quanto fatto per
il valore di W2, tramite la risoluzione dell‘equazione delle isostere.
Il valore di Tmax può essere fissato in base alla sorgente termica, o è possibile lasciarlo
variabile e calcolare le prestazioni della macchina in funzioni di questo (o di W1) al fine di
ottimizzare il ciclo.
Le quantità di calore, entranti ed uscenti dalla macchina, sono state così calcolate:
I) Riscaldamento lungo l‘isostera a maggiore concentrazione W2 (tratto AB fig. 3.5) In
questa fase si fornisce il calore sensibile Qs1 necessario al riscaldamento dell‘adsorbente e
dell‘adsorbato in esso contenuto:
TB
Qri  Qs1   c peq (W ; T ) dT
con W  W2
(3.9)
TA
58
dove il calore specifico equivalente dell‘adsorbente, tenuta in considerazione la fase liquida
adsorbita.
II)
(tratto BC di fig. 3.5). In questa fase vengono forniti sia il calore sensibile Qs2 per il
riscaldamento dell‘adsorbente e dell‘adsorbato, presente istante per istante, dalla
temperatura TB alla temperatura Tmax, sia il calore di desorbimento Qh.
Pertanto si ha:
TC
Qs 2   c peq (W ; T ) dT
con W  W(T)
(3.10)
TB
W1
Qh   H (W ) dW
(3.11)
W2
dove H (W) è l‘entalpia di adsorbimento/desorbimento. In definitiva risulta
essere:
Qd  Qs 2  Qh
(3.12)
III) Raffreddamento lungo l‘isostera a minore concentrazione W1 (tratto CD di fig. 3.5). Il
calore estratto in questa fase è il calore sensibile di raffreddamento dell‘adsorbente e
dell‘adsorbato fra le temperature TC=Tmax e TD. Si infatti:
TD
Qra  Qs 3   c peq (W ; T ) dT
con W  W1
(3.13)
TC
IV) Adsorbimento isobaro fra le temperature TD e fra le isostere W1 e W2 (tratto DA di
fig. 3.5). In questa fase vengono forniti dal letto adsorbente sia il calore sensibile Qs4
dovuto al raffreddamento dell‘adsorbente e dell‘adsorbato, presente istante per istante, dalla
temperatura TD alla temperatura TA = Tc, sia il calore di desorbimento Qh.
59
Pertanto si ha:
TA
Qs 4   c peq (W ; T ) dT
con W  W(T)
(3.14)
TD
W2
Qh   H (W ) dW
(3.15)
W1
Inoltre, durante questa fase, bisogna considerare il calore sensibile Qsv1 da fornire al
vapore, proveniente dall‘evaporatore, per il riscaldamento dalla temperatura Te alla
temperatura, variabile fra TD e TA, alla quale questo viene introdotto nel letto adsorbente.
Si ha, pertanto:
Qsv1  c pv (Te ) W (
dove
TD  TA
 Te )
2
(3.16)
è il calore specifico del vapore alla temperatura dell‘evaporatore calcolato tramite
una polinomiale [1], mentre è la variazione di concentrazione fra le isostere inferiore e
superiore. In conclusione quindi il calore rilasciato in questa fase è:
Qa  Qs 2  Qh  Qsv1
(3.17)
V) Scambi termici al condensatore e all‘evaporatore (punti E ed F di fig. 3.5). Durante la
fase di condensazione viene resa disponibile al condensatore la quantità di calore Qc che
può essere calcolata come segue:
Qc'  W L(Tc )
(3.18)
dove L(Tc) è il calore latente di condensazione alla temperatura Tc, calcolato tramite la
relazione:
2
3
L(Tc )  L1  L2Tc  L3Tc  L4Tc
(3.19)
60
Inoltre durante la fase di condensazione bisogna considerare il calore sensibile di
raffreddamento del vapore da una temperatura variabile compresa fra la TB e la TC alla
quale viene estratto il vapore dal letto adsorbente, e la temperatura del condensatore Tc.
Analogamente a quanto fatto per la Qsv1 si può scrivere:
Qsv2  c pv (Tc ) W (
TB  TC
 Tc )
2
(3.20)
Per cui complessivamente sarà:
Qc  Qc'  Qsv2
(3.21)
All‘evaporatore invece si dovrà fornire la quantità di calore Qe così calcolata:
Qe'  W L(Te )
(3.22)
Bisogna inoltre considerare il calore disponibile dal raffreddamento dell‘acqua dalla
temperatura Tc alla temperatura Te nel passaggio dal condensatore all‘evaporatore
attraverso la valvola di laminazione. Questa aliquota di calore Qw viene calcolata come
segue:
Qw  c pH 2 O W (Te  Tc )
(3.23)
dove è il calore specifico a pressione costante dell‘acqua. E‘ da precisare che il valore
assunto risulta essere medio fra i valori calcolati alle temperature del condensatore e
dell‘evaporatore. Questa ipotesi è giustificata per l‘andamento quasi costante del nel range
considerato.
In definitiva, quindi, il calore da fornire all‘evaporatore sarà:
Qe  Qe'  Qw
(3.24)
Note tutte le quantità di calore che sono in gioco nel ciclo ad adsorbimento si possono
calcolare i valori di COP in riscaldamento e raffreddamento tramite le espressioni già viste
[12].
61
3.3. Ciclo ad Assorbimento
Nel presente capitolo, vengono riepilogati i principi termodinamici alla base dei ciclo ad
assorbimento che sono molto simili a quello visto nel paragrafo precedente (Ciclo ad
Adsorbimento).
Il secondo principio della termodinamica afferma (enunciato di Clausius) che ―è
impossibile realizzare una macchina operante secondo un processo ciclico il cui unico
effetto sia il trasferimento di calore da un corpo a temperatura più bassa ad un corpo a
temperatura più alta‖. Perché questo accada si deve fornire energia, in modo che l‘energia
portata al livello più alto di temperatura sia maggiore dell‘energia prelevata al livello più
basso.[13]
L‘energia da fornire dall‘esterno può essere lavoro meccanico, nel qual caso si ottiene un
ciclo a compressione di vapore, o calore, ottenendo invece un ciclo ad assorbimento.
Anche nel ciclo ad assorbimento si sfrutta l‘effetto frigorifero prodotto dall‘evaporazione di
un fluido a temperatura ridotta, ma il vapore viene assorbito da una soluzione caratterizzata
da elevata affinità per il refrigerante, in grado di scioglierlo. Il liquido può essere
compresso (ciclo continuo) con un modesto apporto di energia meccanica ed il vapore si
può liberare dalla soluzione a pressione più alta mediante fornitura di calore. In tal modo il
vapore può essere fatto condensare a temperatura ambiente o superiore ed il liquido può
ritornare all‘evaporatore per riprendere il ciclo. Nella figura 3.7 è rappresentato lo schema
di una macchina frigorifera ad assorbimento.
A mano a mano che il vapore si forma nell‘evaporatore, viene aspirato nell‘assorbitore in
modo analogo a quanto avviene nei sistemi a compressione meccanica. L‘assorbimento è
un processo esotermico, ovvero la soluzione riceve una quantità di calore pari alla somma
del calore di condensazione del vapore e di quello di diluizione dell‘assorbente. La
62
temperatura della soluzione tende ad aumentare ed il processo di assorbimento a divenire
meno efficace; perciò l‘assorbitore va raffreddato per mantenerlo ad una temperatura che
consenta il corretto progredire del processo. Inoltre l‘assorbimento comporta un
arricchimento in refrigerante della miscela e quindi attitudine decrescente ad assorbire.
Fig.3.7: Schema di un sistema frigorifero ad assorbimento.
La soluzione viene ricondotta alla concentrazione iniziale inviandola al generatore. In
questo stadio il vapore si può separare dalla soluzione, purché questa venga portata, tramite
la somministrazione di calore (processo endotermico), ad una temperatura sufficientemente
elevata. Tale temperatura, per le caratteristiche della soluzione, è superiore a quella di
formazione di vapore dal refrigerante puro alla stessa pressione. Il vapore che si forma,
dunque, si trova ad una pressione più alta di quella esistente nell‘assorbitore e perciò anche
di quella dell‘evaporatore. In questo modo il gruppo assorbitore-generatore ha assolto la
funzione che il compressore svolge nel ciclo a compressione meccanica.
63
Il ciclo viene completato facendo condensare il vapore (refrigerante) formato nel generatore
e inviando il liquido ad un dispositivo di laminazione e successivamente all‘evaporatore,
mentre la soluzione rigenerata (povera di refrigerante) ritorna dal generatore all‘assorbitore.
Una pompa provvede invece a portare la soluzione (ricca) dalla bassa pressione
dell‘assorbitore a quella più alta del generatore.[3]
Il ciclo descritto può essere rappresentato sul diagramma di equilibrio semilogaritmico
pressione-temperatura (diagramma di Dhuring), nel quale sono tracciate anche le linee a
concentrazione costante (X). La concentrazione della soluzione è definita come:
X 
massa di solvente
massa di soluzione
Nella figura 3.8 è rappresentato il ciclo ideale ad assorbimento per la coppia refrigeranteassorbente acqua-bromuro di litio. Le quattro fasi in cui si può suddividere il ciclo ad
assorbimento sono:
•
Fase I - Riscaldamento a concentrazione costante: la soluzione ricca in
refrigerante, caratterizzata dalla concentrazione XR, in uscita dall‘assorbitore (punto 5)
passa attraverso la pompa, dove si suppone non si abbiano cambiamenti di temperatura, e
raggiunge il generatore dove comincia ad essere riscaldata. Il riscaldamento a cui è
sottoposta è di tipo sensibile, avviene senza variazione di concentrazione e provoca
l‘aumento di temperatura e di pressione dal valore corrispondente all‘evaporazione (pev) a
quello relativo alla condensazione (pco).
•
Fase II – Desorbimento isobaro: raggiunta la pressione pco, corrispondente alla
tensione di vapore presente nel condensatore a temperatura Tco, ogni aumento di
temperatura comporta la separazione di refrigerante e l‘impoverimento della miscela
(aumento di X). Il calore somministrato alla soluzione comprende una quota sensibile, che
innalza la temperatura fino al valore massimo di ciclo, ed una quota latente pari alla somma
del calore latente di evaporazione del refrigerante e del calore di diluizione dell‘assorbente.
64
La pressione aumenta in modo da permettere il deflusso del vapore generato verso il
condensatore ed il progredire del processo pressoché isobaricamente. Il vapore di
refrigerante puro giunto al condensatore, dove condensa alla pressione pco e alla
temperatura Tco, è rappresentato dal punto 1 sulla curva di saturazione del refrigerante (X
= 0); poiché la condensazione 1-2 avviene a pressione e temperatura costanti 1≡2.
•
Fase III – Raffreddamento a concentrazione costante: la soluzione povera in
refrigerante in uscita dal generatore, rappresentata dal punto 8 e corrispondente alla
concentrazione XP, passa attraverso una valvola di laminazione subendo un raffreddamento
a concentrazione invariata fino ad una pressione di poco inferiore a quella di evaporazione,
corrispondente alla temperatura Tev dell‘evaporatore, per ritornare nell‘assorbitore.
•
Fase IV – Assorbimento isobaro: giunta nell‘assorbitore, sottoposto a
raffreddamento continuo, la soluzione va incontro ad un processo analogo e contrario a
quanto avviene nel generatore, mediante il quale si arricchisce del vapore di refrigerante
proveniente dall‘evaporatore, rappresentato dal tratto isobaro a pev. Il punto 3 rappresenta
il refrigerante puro dopo la laminazione.
In conclusione si nota come il ciclo della soluzione è facilmente individuabile tra le due
curve a concentrazione costante, relative alla soluzione ricca XR (massimo contenuto di
refrigerante) e povera XP (minimo contenuto di refrigerante), e le due isobare
corrispondenti alle pressioni di condensazione e di evaporazione.
65
Fig.3.8: Rappresentazione del ciclo ad assorbimento nel diagramma di Dhuring
(acqua come refrigerante).
Il coefficiente di performance della macchina, a seconda del funzionamento come pompa di
calore o come frigorifero, si può ricavare come (Fig 3.7)
COPpc 
QCOND  Q A
QG
(3.25)
COPf 
QEV
QG
(3.26)
66
Avendo indicato con il calore fornito al generatore alla temperatura più alta , con e le
quantità di calore scambiate al condensatore e all‘assorbitore rispettivamente, con l‘effetto
frigorifero utile ottenuto all‘evaporatore.
3.4. Il Ciclo a Compressione di Vapore
La macchina frigorifera opera secondo il ciclo a compressione di vapore (Compressore di
un fluido frigorigeno) tra bassa e alta pressione e per riportarlo alla bassa si usa una
(valvola di laminazione) come riportato nella seguente figura 3.9.
Quindi l‘unico componente che non è in comune tra le altre tecnologie di refrigerazione è il
compressore .
Per le piccole potenze si usano spesso i compressori alternativi ermetici, nella quale il
compressore e il motore elettrico sono assemblati in un unico involucro ermetico, ma non è
l‘argomento principale della nostra tesi.
67
Fig.3.9: Ciclo a compressione di vapore [14].
Nei cicli inversi più semplici, per esempio i bitermici, il sistema S (fig. 3.10) mediante la
spesa di lavoro esterno |L| assorbe una certa quantità di calore |Q2| da una sorgente a
temperatura più bassa T2 e cede ad un ―serbatoio‖ a temperatura T1 più alta una quantità
|Q1| di calore che è somma del calore |Q2|, asportato alla temperatura T2, e dell‘equivalente
68
termico del lavoro |L|. Nei relativi diagrammi termodinamici la linea chiusa indicante il
ciclo viene percorsa in senso antiorario.
Opportuni cicli inversi possono rendere disponibili effetti termici che non sarebbero
altrimenti spontaneamente realizzabili. Nelle macchine frigorifere, e nei sistemi per il
raffrescamento dell‘aria, si trasferisce calore continuamente da una sorgente a temperatura
più bassa (l‘interno del frigorifero o l‘ambiente da raffrescare) ad una a più alta temperatura
(l‘ambiente esterno). Nelle pompe di calore, invece, si rende disponibile ad un sistema
isolato (p.e. i locali da riscaldare) una quantità di calore, ad alta temperatura, sottratta
all‘ambiente esterno a temperatura più bassa. E‘ naturalmente anche possibile realizzare
macchine, che realizzano il ciclo termodinamico descritto, che agiscono
contemporaneamente da frigoriferi e pompe di calore.
Le prestazioni delle macchine operanti un ciclo inverso vengono valutate tramite il
Coefficient Of Performance (coefficiente di effetto utile) COP che viene così calcolato:
COP 
energia ottenuta
energia spesa
(3.27)
E‘ evidente che il suo valore sarà differente a seconda che la macchina operi
da pompa di calore o da frigorifero. Infatti nel caso di pompa di calore, con
riferimento alla fig.3.10(A). si ha:
COPp.c. 
| Q1 | | Q2 |  | L |
|Q |

 1 2
| L|
| L|
| L|
(3.28)
essendo ovviamente, per il primo principio della termodinamica:
| Q1 || Q2 |  | L |
(3.29)
Per le macchine frigorifere il coefficiente di effetto utile assume la seguente
forma:
69
COPfrig   
| Q2 |
|L|
(3.30)
Fig.3.10: Schema fondamentale di una pompa di calore (A),
e di una macchina frigorifera (B)
Per la (3.28) e la (3.30) si ha quindi:
COPp.c.  1  
(3.31)
Dalla (3.31) si capisce che COPp.c. non è un rendimento e il suo valore risulta essere
sempre maggiore dell‘unità. Infatti, alla sorgente a temperatura elevata viene reso non solo
l‘equivalente del lavoro speso ma anche il calore (gratuito) assorbito dalla sorgente a
temperatura più bassa.
70
Capitolo 4.
Adsorptive Solar Ice Maker design
4.1. Descrizione generale e Risultai simulazione dinamica
Prima di trattare il dimensionamento del design ‗solar Ice maker‘[15], vorrei fare una
descrizione di essa e un breve cenno su risultai scaturiti dalla simulazione dinamica.
La macchina frigorifera è così composta:
•
Sistema collettore solare;
•
Sistema condensatore-serbatoio;
•
Sistema box frigorifero;
•
Piping;
•
Valvole;
•
Struttura di sostegno;
•
Sistema d‘inclinazione del collettore solare;
•
Sistema di apertura del cassetto del collettore solare.
I vari componenti verranno descritti dettagliatamente in seguito, e vengono riportate alcune
immagini che ritraggono il solar Ice-Maker durante le Fasi I e II, cioè nelle fasi di
riscaldamento isosterico e di desorbimento, Figura 4.1 mentre nella Figura 4.2 viene
riportato il solar Ice-Maker durante la Fase III e la Fase IV, rispettivamente le fasi di
raffreddamento isosterico e di adsorbimento.
71
Fig.4.1: Vista anteriore solar Ice-Maker con
Fig.4.2: Vista anteriore solar Ice-Maker con
cassetto chiuso.
cassetto aperto.
4.1.1. Simulazione dinamica e i risultati (caso Base)
Sia per il design preliminare dei componenti sia per la simulazione dinamica é stato preso
come testi di riferimento le pubblicazioni [16] [17].
In questi articoli vengono proposti i risultati di una simulazione dinamica di un sistema ad
adsorbimento alimentato da energia solare che lavora in una zona influenzata da un clima
tipicamente nord mediterraneo.
In cui si spiegano le ipotesi di partenza del bilancio delle energie termiche entranti e uscenti
in ciascun componente del Ice maker (collettore, condensatore, evaporatore); per arrivare
ad un modello matematico che simula il funzionamento ‗solar Ice maker‘(simili a quelli che
verranno trattati nel prossimo capitolo per l‘assorbimento), basta inserire i dati nella
simulazione per averne i risultai.
I dati possono essere variabili o costanti:
72
Dati variabili (Messina, 4 mesi più caldi del anno):
•
Radiazione solare globale (max. 800-900 W/m2).
•
Temperatura ambiente (max. 30-35°C).
Dati costanti (in cui basta inserirli soltanto una volta, oppure ogni volta che si cambia un
componente): come 6Kg acqua, 24 Kg carbone attivo, 1 m2 collettore, 5 m2 ev/acqua, 1
m2 ev/amb., 2 m2 cond./amb., 1 Kg metanolo….
in seguito verranno illustrati i dati (o parametri) più significativi (fig.4.3) e (tabella 4.1):
Fig.4.3: Dati costanti nel modello matematico.
Dove i simboli hanno i seguenti significati (tab.4.1):
(τα)eff
n
Descrizione
Coeff. trasmissività-assorbimento
Superficie collettore solare
Simbolo
mEv
mMet
Descrizione
Massa metallica evaporatore
Massa metanolo
73
U4
Coeff. di scambio termico globale
evaporatore-acqua allo stato liquido
A4
Superficie di scambio termico
evaporatore-acqua
U5
Coeff. di scambio termico globale
acqua-ambiente
Superficie di scambio termico acqua
liquida-ambiente
MMatAds
Coeff. di scambio termico globale
tubo metallico-ambiente a finestre
chiuse
Coeff. di scambio termico globale
tubo metallico-ambiente a finestre
aperte
Superficie di scambio termico tubi
metallici-ambiente
Coeff. di scambio termico globale
tubo metallico-materiale adsorbente a
finestre aperte
Superficie di scambio termico tubo
metallico-materiale adsorbente
Massa materiale adsorbente
mCond
Massa condensatore
U7
U3
Coeff. di scambio termico globale
condensatore-ambiente
Superficie di scambio termico
condensatore
U8
U1FinCh.
U1FinAp.
A1
U2
A2
A3
A5
mw1
Massa acqua
U6
Coeff. di scambio termico globale
evaporatore-acqua in passaggio di
fase
Superficie di scambio termico acqua
in passaggio di fase-ambiente
Coeff. di scambio termico globale
evaporatore-acqua allo stato solido
Superficie di scambio termico
ghiaccio-ambiente
Superficie di scambio termico
evaporatore-ambiente
Coeff. di scambio termico
evaporatore-ambiente
U9
A10
U10
Risultati più importanti scaturiti dalla simulazione sono (ne cito soltanto due):

Temperatura cella (Fig.4.4-a).

COP. (Fig.4.4-a).
74
Fig.4.4-a: Temperatura cella fredda (dal 7 al 23 Luglio).
COP medio in Letteratura: 0.1
Fig.4.4-b: COP: (sempre tra 7 Luglio al 23 Luglio), oscilla intorno 0.15 allo 0.14 con
picchi fino allo 0.16.
Invece alcuni dati scaturiti dall‘Analisi parametrica (che serviranno dopo per il design):
75
Fig.4.5: a) Dimensione evaporatore; b) Quantità adsorbente ottimale; c) COP vs superfice
collettore.
76
Fig.4.5-c: COP vs superfice collettore.
4.2. Il collettore solare adottato nel progetto
Il collettore solare è il sistema che più influenza le prestazioni dell‘intera macchina
frigorifera; quindi la sua progettazione deve essere molto accurata per rendere il sistema il
più performante possibile.
Il collettore solare è stato così studiato:
•
cassa esterna;
•
materiale isolante;
•
tubi carbone attivo,
•
superficie selettiva;
•
superfici riflettenti;
77
•
superfici trasparenti;
•
cassetto scorrevole;
•
collettore.
La progettazione di questi componenti è stata rivolta verso il rispetto di alcune
caratteristiche che il sistema collettore solare deve avere per ottimizzare il funzionamento
della macchina frigorifera:
•
Resistenza alla massima temperatura sviluppabile al suo interno;
•
Massimizzazione dello scambio termico tra il materiale adsorbente e l‘ambiente;
•
Compattezza della soluzione;
•
Economicità;
•
Assenza di reazioni chimiche che portino al deterioramento dei materiali presenti
nel collettore solare termico;
•
Riduzione della manutenzione richiesta;
•
Facile sistema di apertura del cassetto per il raffreddamento.
4.2.1. La cassa esterna
La cassa esterna è essenzialmente costituita da profilati ad ―L‖ di acciaio inossidabile per
resistere alle condizioni atmosferiche esterne e per garantire robustezza al sistema, Figura
4.6.
La cassa esterna viene successivamente rivestita da coperture esterne realizzate in lamierino
di spessore 6/10 di mm che costituiscono una sorta di protezione dagli agenti atmosferici
nei confronti dei componenti interni al collettore solare, come ad esempio i blocchi di
isolante, Figura 4.6.
Sempre dalla Figura 4.6 è possibile vedere che non tutte le facce della cassa esterna del
collettore solare sono coperte dalla lamiera; questo accorgimento ci permette di scoprire, in
78
fase di apertura del cassetto scorrevole, delle finestre di areazione che favoriscono il
raffreddamento del collettore solare.
Un altro particolare che si nota, sempre dalla stessa figura, è la presenza di due coppie di
mensole che hanno il compito di sorreggere una il collettore e l‘altra il sistema per
l‘automatizzazione dell‘apertura e chiusura del cassetto scorrevole.
Lamierino
mensola
Fig.4.6: Cassa esterna collettore solare con coperture.
4.2.2. Materiale isolante
Come materiale isolante si è scelto di adottare il poliuretano espanso. Questo materiale
consente di ridurre le dispersioni termiche e viene riportato in tutte le superfici interne del
collettore solare tranne che in quella superiore dove avviene la captazione della radiazione
solare, Figura 4.7. Questo materiale isolante viene protetto dagli agenti atmosferici, che ne
causerebbe il deterioramento, da delle coperture esterne applicate alla cassa del collettore
solare (paragrafo precedente 4.2.1), e da delle coperture riflettenti che vengono applicate
direttamente sui blocchi di isolante (paragrafo successivo 4.2.3).
Le dimensioni di questi blocchi, in particolare lo spessore di ogni singolo blocco isolante è
stato determinato attraverso un compromesso tra il volume occupato, e quindi le dimensioni
finali del collettore solare, e la limitazione delle dispersioni termiche verso l‘esterno.
79
4.2.3. Le superfici riflettenti
L‘inserimento di superfici riflettenti all‘interno del collettore solare costituisce un
accorgimento che permette di recuperare parte dell‘energia dirigendola verso quelle zone
del letto adsorbente poco illuminate [18] [19] [20] [21]. La soluzione adottata nel progetto
consiste nel ricoprire i blocchi isolanti illustrati nel paragrafo precedente con del materiale
altamente riflettente, Figura 4.7.
materiale riflettente
materiale Isolante
Fig.4.7: Assieme blocchi isolanti con coperture in materiale riflettente.
Inoltre queste superfici riflettenti si comportano come delle vere e proprie coperture che,
come detto nel paragrafo precedente 4.2.2, permettono di proteggere i vari blocchi di
isolante dalle condizioni atmosferiche e quindi da un loro possibile deterioramento.
4.2.4. Le superfici trasparenti
La copertura trasparente è un altro componente fondamentale dell‘intero sistema. Nel
nostro caso abbiamo realizzato un telaio in grado di contenere da 1 a 2 lastre di vetro ed un
ulteriore spazio, tra le due lastre di vetro, per l‘inserimento di un materiale isolante che
80
migliori le prestazioni del sistema, Questa struttura che sorregge le lastre di vetro ed il
materiale isolante viene poi inserita all‘interno della cassa esterna del collettore solare,
(Figure 4.8).
Fig.4.8: Assieme sistema copertura trasparente-cassa esterna collettore solare.
4.2.5. Tubi carbone attivo
Come è stato detto nei capitoli precedenti il collettore solare di un solar Ice-Maker è
costituito da una piastra captante che riscalda non più un fluido termovettore, ma un
materiale solido, il materiale adsorbente.
Nel nostro caso la piastra captante è costituita da 10 tubi DN 63, in acciaio AISI 304L, di
due diverse lunghezze, 173 e 163 cm. All‘interno dei tubi varrà inserito il materiale
adsorbente, cioè carbone attivo, densità 500 kg/m3, in una configurazione ad anello
mostrata nella Figura 4.9.
La forma ad anello imposta al materiale adsorbente all‘interno del tubo in acciaio ha lo
scopo di creare al suo interno una sezione di passaggio per il flusso del vapore di metanolo.
81
Anello di carbone attivo spessore 1,5
cm.
Tubo DN 63 in
acciaio AISI 304 L.
Sezione vuota, diametro 4 cm,
per il passaggio del vapore di
metanolo.
Fig.4.9: Sezione tubo carbone attivo.
La dimensione della forma ad anello imposta al materiale adsorbente e quindi lo spessore
dell‘anello stesso influenza tre fattori importanti per il funzionamento del solar Ice-Maker:
•
Massa di carbone attivo presente all‘interno dei tubi in acciaio AISI 304L;
•
Fenomeno di evaporazione del metanolo presente all‘interno del carbone attivo;
•
Dimensione della sezione cava per il passaggio del vapore di metanolo.
In particolare un aumento dello spessore dell‘anello, quindi una riduzione della sezione
cava di flussaggio del metanolo comporta:
• Un aumento, a parità di lunghezza del tubo in acciaio, del volume e quindi della massa di
carbone attivo;
• Un aumento del metanolo evaporato e quindi un aumento dell‘effetto freddo cioè della
quantità di ghiaccio prodotta;
• Un peggioramento in termini di qualità e quantità del fenomeno di evaporazione del
metanolo presente all‘interno del carbone attivo;
• Un aumento delle perdite di carico nella sezione cava di passaggio del vapore di
metanolo.
82
Di fronte a questi aspetti la scelta è stata quella di determinare al carbone attivo una forma
ad anello con diametro esterno pari a 7 cm e diametro interno pari a 4 cm, cioè spessore 1,5
cm, e una sezione cava di passaggio di diametro 4 cm.
La scelta di adottare una geometria tubolare per il letto adsorbente rispetto ad una
geometria piana risiede nelle caratteristiche vantaggiose che ha la prima geometria rispetto
alla seconda:
• Più economica grazie alla sua facile realizzazione,
• Le basse pressioni con cui il sistema lavora possono essere contenute con spessori minori
e quindi con un minor peso complessivo della struttura;
• Uniformità di riscaldamento di e raffreddamento di tutto il letto adsorbente;
• Possibilità di direzionare l‘irraggiamento anche nella faccia inferiore del letto adsorbente.
Un‘accortezza che bisogna prendere quando si adotta una geometria tubolare è quella di
mantenere una distanza ottimale tra i tubi per non incorrere in ombre. Per questo motivo la
disposizione dei tubi all‘interno del collettore solare è stata una parte fondamentale nel
corso della progettazione del collettore solare stesso.
Oltre al problema delle ombre abbiamo dovuto affrontare il problema dell‘ingombro di ogni
tubo, è stato preso in considerazione anche le dimensioni della flangia del tubo stesso,
rispetto allo spazio limitato che potevamo sfruttare, e cioè il lato minore della superficie
captante 120 x 80 cm. Come si può vedere dalla Figura 4.10 i 10 tubi sono stati disposti in
2 file, 5 tubi per fila, con una distribuzione, rispetto al lato lungo 80 cm, illustrata in Figura
4.11.
83
Fig.4.10: Posizionamento dei tubi
contenenti il carbone attivo.
Fig.4.11: Distribuzione dei tubi contenenti il
carbone attivo.
Per ovviare al problema dell‘interferenza tra le flange dei tubi si è pensato di realizzare i
tubi con una diversa lunghezza; infatti la fila superiore è costituita da 5 tubi lunghi 173 cm,
mentre quella inferiore da 5 tubi di lunghezza pari a 163 cm.
Con questa configurazione dei tubi, e quindi della superficie captante, risulta determinata
anche la posizione dell‘intera macchina frigorifera rispetto al sorgere e al tramontare del
sole; infatti la macchina dovrà essere posizionata in modo che i tubi captanti siano disposti
nella direzione est-ovest, Figura 4.12. (Fig.4.12: Orientamento solar Ice-Maker)
OVEST
EST
84
Per quanto riguarda la sensoristica da inserire nel collettore solare si è pensato di prevedere,
dalla parte del fondo cieco di 4 dei 10 tubi riempiti dal carbone attivo, un foro filettato ¼‘‘
GAS-NPT al quale verrà avvitato il passante per la termocoppia che si inserisce all‘interno
del tubo stesso. I 4 tubi interessati dalla presenza della termocoppia e quindi dal foro per
l‘innesto del passante per la termocoppia, sono illustrati nella Figura 4.13.
Fig.4.13: Posizionamento dei 4 tubi di carbone attivo predisposti per la sensoristica.
In aggiunta alle termocoppie sono previsti altri 3 sensori di temperatura, disposti sulla
superficie cilindrica, di 3 tubi appartenenti alla fila superiore, Figura 4.13: ed in particolare
i tubi più esterni ed il tubo centrale.
4.2.6 Superficie selettiva
Come superficie selettiva si è deciso di adottare il SolMax, della Energy International
Systems Ltd, cioè una superficie selettiva ultra sottile composta da un foglio di Nichel che
va a ricoprire la superficie esterna dei tubi di carbone attivo.
Le caratteristiche di questo foglio adesivo selettivo sono:
•
Elevato coefficiente di assorbimento α (95-99%) tipicamente 96%;
•
Bassa emissione nell‘infrarosso, 4% < ε < 10%, tipicamente 7%;
85
•
Coefficiente di dilatazione termica pari a 13,4 x 10-6.
4.2.7 Cassetto scorrevole
Il cassetto scorrevole, come la cassa esterna del collettore solare, è stato pensato come ad
una intelaiatura composta da profilati di diverso genere, ricoperta da delle coperture in
lamierino 6/10 di mm e contenente parte dei blocchi isolanti mostrati nella Figura 4.7. La
sua apertura consente al collettore solare di raffreddarsi attraverso alcune finestre di
areazione, Figura 4.14.
Nella prima fase di progettazione la movimentazione, cioè l‘apertura e la chiusura, del
cassetto è di tipo manuale; successivamente è prevista una sua automatizzazione attraverso
l‘utilizzo di una slitta lineare motorizzata, EZ limo, della Oriental Motor, Figura 4.15,
posizionata sulle due mensole in vista in Figura 4.14.
Fig.4.14:
Collettore
solare
con
cassetto
Fig.4.15: EZ limo, Oriental motor.
scorrevole aperto.
Come è stato detto in precedenza il binario su cui si muove la slitta viene fissato sulle due
mensole a lato del collettore solare; mentre la slitta, cioè la parte mobile del sistema
motorizzato, verrà accoppiata ad una barra che a sua volta sarà agganciata sull‘angolo
86
rinforzato in basso a destra del cassetto scorrevole. La movimentazione del cassetto sarà
quindi garantita dal movimento della slitta che trascina con se la barra e quindi il cassetto
stesso.
4.2.8 Il collettore
Il collettore è quel dispositivo che collega i 10 tubi di carbone attivo con il resto
dell‘impianto frigorifero. È realizzato attraverso un tubo DN 100 in acciaio AISI 304L, di
lunghezza 112 cm. Le due estremità del tubo sono chiuse con due fondi ciechi, uno piatto
ed uno bombato; nell‘estremità che presenta la bombatura è previsto un raccordo flangiato
DN 25 che, attraverso un tubo flessibile DN 25, direziona il vapore di metanolo, e
l‘eventuale condensato formatosi all‘interno del collettore, verso il sistema
condensatore/serbatoio. Il collettore quindi presenta 10 raccordi flangiati DN 63, cioè quelli
relativi ai tubi di carbone attivo, 2 raccordi flangiati DN 25 ed un raccordo DN 16, Figura
4.16 e Figura 4.17.
Fig.4.16: Vista 1 collettore del collettore
Fig.4.17: Vista 2 collettore del collettore
solare.
solare.
I 10 supporti flangiati DN 63 servono, come è stato detto in precedenza, per collegare il
collettore con i 10 tubi riempiti di carbone attivo e metanolo; al supporto, o tronchetto a
saldare, DN 25, che si trova nel fondo bombato del collettore, viene fissato un tubo
87
flessibile DN 25 che collega il collettore stesso con il sistema condensatore/serbatoio;
invece al supporto DN 25 che si trova lateralmente viene flangiato un tubo flessibile che
collega il collettore del collettore solare con il sistema evaporante del box frigorifero; infine
il tronchetto a saldare DN 16 ha molteplici funzioni quali:
•
Fungere da innesto per la realizzazione del vuoto nell‘impianto;
•
Fungere da ingresso per la carica del metanolo;
•
Fungere da ingresso per il sensore di pressione.
I collegamenti tra il collettore del collettore solare con il resto dei componenti dell‘intero
sistema frigorifero verranno meglio dettagliati nel capitolo riguardante il Piping.
4.3. Dimensionamento condensatore
Il sistema condensatore-serbatoio è la composizione di un condensatore e di un
accumulatore di liquido, appunto serbatoio, Figura 4.18. La funzione di questo sistema è
quella di raffreddare il vapore di metanolo proveniente dal collettore solare, condensarlo ed
infine raccogliere il liquido di metanolo che si è formato nel serbatoio.
Il passaggio di fase del metanolo da vapore a liquido si realizza in un esteso arco di tempo,
cioè dal momento in cui il letto adsorbente incomincia la fase di desorbimento fino alla
completa condensazione del fluido refrigerante; questa caratteristica del solar Ice-Maker
rende la progettazione del condensatore meno onerosa.
Come per i tubi riempiti dal carbone attivo e per il collettore del collettore solare, anche il
condensatore ed il serbatoio sono realizzati in acciaio AISI 304L proprio per la sua
caratteristica di non generare reazioni chimiche con il metanolo e perché ideale per tutte
88
quelle lavorazioni che richiedono una bassa pressione di esercizio, nel nostro caso circa 10
mbar.
Molto importante è stata la determinazione della corretta posizione di questo sistema
rispetto i restanti componenti del solar Ice-Maker; infatti il sistema condensatore-serbatoio
è posto al di sotto del collettore solare, questo garantisce al sistema di lavorare in una zona
d‘ombra favorendo così la condensazione del fluido refrigerante; oltre a facilitare la
condensazione del metanolo, questa posizione del sistema garantisce il deflusso del
metanolo in fase vapore, ed eventualmente anche del condensato, dal collettore del
collettore solare al condensatore; infine un altro aspetto importante è l‘inclinazione data al
sistema che favorisce la raccolta del liquido di metanolo nel serbatoio e successivamente il
suo deflusso verso il sistema evaporante del box frigorifero.
Tra il serbatoio ed l‘evaporatore del box frigorifero viene inserita una valvola servocomandata DN 16 che permette, attraverso la sua chiusura, di terminare la fase di
condensazione all‘esterno dell‘evaporatore.
Fig.4.18: Sistema condensatore-serbatoio.
4.3.1. Il condensatore
Il condensatore è stato pensato come una semplice batteria a tubi alettati composta da:
•
7 tubi alettati DN 16;
•
1 tubo di collegamento DN 25.
89
I tubi alettati sono lunghi 79 cm e sono caratterizzati da un alettatura dalle seguenti
caratteristiche:
•
Altezza aletta, h = 1.5 cm;
•
Spessore aletta, s = 2 mm;
•
Passo alettatura, p = 6 mm.
Il tubo di collegamento invece è un tubo DN 25 a cui vengono saldati i 7 tubi alettati e un
supporto flangiato DN 25 che permette l‘innesto del tubo flessibile DN 25 che collega il
condensatore con il collettore del collettore solare.
4.3.2 Il serbatoio
Il serbatoio è costituito da un tubo DN 100, con le estremità chiuse da due fondi ciechi, in
acciaio AISI 304L, lungo 80 cm con una capacità di circa 6.5 dm3, cioè 6.5 l. Questo
sistema presenta oltre ai fori per l‘innesto dei sette tubi alettati, anche un indicatore di
livello di liquido, due supporti flangiati DN 16 ed un foro su uno dei due fondi ciechi del
serbatoio. L‘indicatore di livello ha lo scopo di dare un‘informazione di rapida lettura sulla
quantità di liquido presente nel serbatoio; il supporto flangiato indicato con la lettera ―A‖
nella Figura 4.19 funge da innesto per il collegamento tramite tubo flessibile DN 16 con il
sistema evaporatore del box frigorifero;
mentre il supporto flangiato indicato con la lettera ―B‖ sempre nella Figura 4.19 ha il
molteplice scopo di fungere da:
•
Ingresso per il sensore di pressione;
•
Innesto per la creazione del vuoto nel circuito;
•
Ingresso per l‘introduzione del fluido refrigerante.
90
Infine il foro situato sul fondo cieco del serbatoio, opposto all‘indicatore di livello, è un
foro filettato ¼‘‘ GAS-NPT al quale verrà avvitato il passante per la termocoppia (Figura
4.19 lettera C).
L‘intero sistema viene fissato alla struttura di sostegno tramite dei collari, fissati su dei
distanziali, in modo da conferire al sistema un‘inclinazione tale da permettere al liquido di
metanolo di raccogliersi nel serbatoio (Figura 4.20).
B
A
Fig.4.19: Serbatoio.
Fig.4.20: Inclinazione del sistema
C
condensatore/serbatoio.
4.4. Dimensionamento dell‘Evaporatore
L‘evaporatore è quella parte del sistema dove avviene l‘evaporazione del fluido frigorifero
e quindi il luogo dove si realizza l‘effetto utile della generazione di freddo. Allo stesso
modo del collettore solare termico, la progettazione del design dell‘evaporatore ha ricoperto
un ruolo importante nella realizzazione dell‘intera macchina frigorifera, visto la sua
influenza sul rendimento del sistema ad adsorbimento.
Di seguito verrà riportata una descrizione dettagliata per ogni componente del sistema
evaporatore.
91
4.4.1 Il sistema evaporatore
Questo sistema è situato al di sotto del sistema condensatore-serbatoio ed è composto da un
box frigorifero, da dei tubi evaporanti e da un accumulo termico.
La progettazione del sistema evaporatore è stata diretta in modo da rispettare le seguenti
caratteristiche:
•
Ottimo scambio di calore con la camera fredda,
•
Compattezza della soluzione;
•
Bassa massa dello scambiatore di calore, cioè dei tubi evaporanti, per minimizzare
il calore sensibile asportato dallo scambiatore per portarsi alla temperatura di esercizio e per
ridurre il peso dell‘intero sistema;
•
Non devono verificarsi reazioni che portino al deterioramento del sistema, perché
eventuali perdite di metanolo non sono accettabili per il prodotto che viene conservato
all‘interno della camera fredda;
•
Gli interventi di manutenzione devono essere ridottissimi;
In Figura 4.21 e in Figura 4.22 viene riportata l‘immagine del sistema evaporatore
rispettivamente con la camera fredda chiusa e con la camera fredda aperta.
La camera fredda è quella parte di volume contenuta tra le due linee di tubi alettati ed ha lo
scopo di contenere e conservare i vaccini, le derrate alimentari e l‘accumulo termico.
L‘accumulo termico può essere pensato come un qualunque contenitore riempito d‘acqua; il
suo scopo è quello di garantire una riserva di ―freddo‖, sottoforma di calore latente, da
sfruttare nel momento in cui le condizioni atmosferiche non garantiscono un corretto
funzionamento del solar Ice-Maker.
92
Fig.4.21: Sistema evaporatore con camera fredda
Fig.4.22: Sistema evaporatore con camera fredda
chiusa.
aperta.
4.4.2. Il box frigorifero
La cassa esterna dell‘evaporatore è realizzata in lamiera ed ha la sola funzione di contenere
e ricoprire il blocco isolante in poliuretano che si trova al suo interno. Il box frigo è
composto da 5 parti distinte:
•
Il contenitore base;
•
Lo sportello anteriore;
•
Il coperchio lato sinistro;
•
Il coperchio centrale;
•
Il coperchio lato destro.
Questa suddivisione del box frigorifero ci permette di compiere alcune operazioni quali:
l‘ispezione della camera fredda attraverso la sola apertura dello sportello anteriore;
l‘estrazione dei tubi evaporanti dal box frigorifero attraverso l‘apertura dei coperchi
93
centrale e dei due laterali; oppure di compiere tutte e due le operazioni
contemporaneamente togliendo sia i tre coperchi che lo sportello, Figura 4.22.
Per garantire una perfetta chiusura del box frigorifero abbiamo pensato di serrare i diversi
componenti descritti precedentemente attraverso l‘utilizzo di semplici chiavistelli, Figura
4.21.
4.4.3. L‘isolante
L‘isolante del sistema evaporatore è costituito da 5 blocchi isolanti in poliuretano espanso;
le dimensioni e le forme attribuite a questi componenti ci permettono di garantire una
chiusura ermetica del box frigorifero e di realizzare al suo interno un volume, chiamato
camera fredda, dove si sviluppa l‘effetto utile di raffreddamento per la conservazione delle
derrate alimentari, dei vaccini e dell‘accumulo termico.
4.4.4. I tubi evaporanti
La progettazione dei tubi evaporanti ha ricoperto un ruolo molto importante nello studio del
design del sistema evaporatore e quindi dell‘intera macchina frigorifera. Il compito del tubo
evaporante è quello di permettere al fluido refrigerante, metanolo nel nostro caso, di
evaporare attraverso il calore sottratto all‘ambiente della camera fredda e quindi di
realizzare l‘effetto frigorifero.
Le possibili geometrie dei sistemi evaporanti sono:
•
Geometria rettangolare/trapezoidale [22] [23] [24] [25];
•
Tubi disposti internamente alla camera fredda [26] [27] [28] [29] [30] [20];
•
Intercapedine, realizzata tra la superficie di scambio termico e la camera fredda,
interamente riempita di metanolo [31].
94
Per il nostro progetto abbiamo pensato di adottare dei tubi a sezione circolare interamente
posizionati all‘interno della camera fredda. I vantaggi che una geometria di questo tipo
offre sono i seguenti:
•
Facile realizzazione;
•
Minore ingombro rispetto ad una geometria rettangolare;
•
Massimizzazione della superficie di scambio termico.
Dopo aver scelto la geometria dello scambiatore di calore abbiamo determinato il volume
interno che deve possedere e la disposizione dei tubi evaporanti all‘interno della camera
fredda.
Per determinare il volume interno totale dei tubi evaporanti ci siamo calcolati il volume di
metanolo che circola all‘interno del nostro sistema; ricordando la definizione del parametro
uptake e conoscendo la massa totale di carbone attivo presente nei tubi del collettore solare
riusciamo a calcolarci la quantità di metanolo desorbita dal materiale adsorbente, (vedi
Tabella 4.2.) Tabella 4.2: Calcolo del volume di metanolo.
Massa di carbone attivo
presente nei tubi del
collettore solare
19,4
[kg]
uptake
Massa metanolo/Massa carbone
attivo anidro
35%
Massa metanolo
Massa di carbone attivo x uptake
6,8
[kg]
0,0068
[m3]
Volume metanolo
Moltiplicando infatti la massa totale di carbone attivo per la percentuale di metanolo
desorbito ci calcoliamo la massa di metanolo che circola nel sistema, e quindi il volume che
occupa in fase liquida.
95
A questo punto abbiamo studiato le possibili disposizioni dei tubi evaporanti all‘interno
della camera fredda; le possibili soluzioni sono:
•
Tubi disposti verticalmente;
•
Tubi disposti orizzontalmente.
La differenza delle due soluzioni è sostanziale quando in gioco vi è l‘evaporazione di un
fluido; questo perché il fenomeno interessa solamente la superficie del pelo libero del
liquido. Quindi si è scelto di posizionare i tubi orizzontalmente e di determinare, in base al
diametro interno del tubo e al numero di tubi da adottare, un volume pari al doppio di
quello occupato dal metanolo. Questa scelta ci permette di riempire di metanolo ogni tubo
per metà del proprio volume, determinando così la massima superficie di evaporazione.
Un altro aspetto da tenere in considerazione è la possibilità di equalizzare la temperatura
all‘interno della camera fredda; questa caratteristica può essere garantita attraverso
un‘ottima distribuzione dei tubi evaporanti all‘interno del box frigorifero.
Tutte queste considerazione ci hanno portato a determinare un design per il sistema di tubi
evaporanti, Figura 4.23, che vede la presenza di:
•
2 file da 9 tubi in acciaio AISI 304L, DN 25, alettati;
•
1 collettore alto, in acciaio AISI 304L, DN 63;
•
1 collettore basso, in acciaio AISI 304L, DN 63;
•
1 tubo di collegamento in acciaio AISI 304L, DN 25;
•
2 tubi di uscita sempre in acciaio AISI 304L, uno DN 16 e l‘altro DN 25.
96
Fig.4.23: Sistema di tubi evaporanti.
Nella Tabella 4.3 viene riportata la verifica sul volume interno del sistema di tubi
evaporanti, che come detto in precedenza deve essere circa il doppio del volume occupato
dal metanolo desorbito così da ottenere la massima superficie di pelo libero e quindi di
evaporazione.
Tabella 4.3: Verifica dei volumi.
Sistema di tubi evaporanti in acciaio AISI 304L
Tubi alettati DN 25
Collettori DN 63
Diametro interno
0,024
[m]
Diametro esterno
0,028
[m]
Spessore
0,002
[m]
Lunghezza tubo
0,8
[m]
Numero di componenti
18
Volume interno
0,0065
[m3]
Diametro interno
0,070
[m]
Diametro esterno
0,076
[m]
97
Spessore
0,003
[m]
Lunghezza tubo
0,6
[m]
Numero di componenti
2
Volume interno
0,0046
[m3]
Volume totale
0,0111
[m3]
0,0068
[m3]
Verifica dei volumi
Volume metanolo
desorbito
4.4.4.1.
I tubi alettati
Come si può leggere dalla Tabella 4.3 sono stati considerati 18 tubi alettati DN 25; questi
sono stati disposti su 2 file, 9 tubi per fila, sia per problemi di spazio che per la questione di
equalizzare l‘effetto frigorifero all‘interno della camera fredda.
I tubi alettati sono stati concepiti come dei semplici tubi DN 25 in acciaio AISI 304L con
una estremità chiusa per mezzo di un fondo cieco, mentre l‘altra estremità saldata ad un
tronchetto a saldare, sempre in acciaio AISI 304L DN 25, che permetterà al tubo di essere
flangiato con il collettore alto o con il collettore basso.
Nella superficie esterna del tubo, per un‘estensione di circa 70 cm, verrà realizzata
un‘alettatura con le seguenti caratteristiche:
•
Altezza dell‘aletta, h = 1.5 cm;
•
Spessore aletta, s = 1 mm;
•
Passo alettatura, p = 3 mm.
4.4.4.2.
Il collettore alto
98
Il collettore alto è stato concepito come un tubo DN 63 con le due estremità chiuse da due
fondi ciechi. In Figura 4.24 è possibile notare la presenza di 11 supporti flangiati DN 25 e
di un supporto flangiato DN 16. Degli 11 supporti DN 25, 9 sono destinati ai tubi alettati
mentre i restanti 2 permettono di flangiare il collettore con il tubo di collegamento e con il
tubo di uscita DN 25; il supporto DN 16 permette di flangiare il collettore alto con il tubo di
uscita DN 16, cioè quello destinato all‘ingresso di metanolo in forma liquida proveniente
dal sistema condensatore-serbatoio.
Il supporto flangiato DN 25 che consente il collegamento, tramite il tubo di collegamento
DN 25, con il collettore basso, è saldato al collettore in modo da penetrare il collettore
stesso per 4 cm (Figura 4.25). Questa accortezza permette al liquido refrigerante di
riempiere inizialmente il collettore alto, successivamente i 9 tubi alettati ad esso flangiati,
ed appena il battente del fluido supera il supporto in questione, il metanolo incomincia a
riversarsi nel collettore basso; questo ci consente quindi di riempire inizialmente la parte
alta del sistema di tubi evaporanti per metà volume e successivamente la parte bassa.
Fig.4.24: Collettore alto DN.
Fig.4.25: Sezione del collettore alto DN 63.
4.4.4.3.
Il collettore basso
Il collettore basso DN 63 è stato concepito allo stesso modo del collettore alto, con la sola
differenza di avere 10 supporti flangiati DN 25 invece che 11, di cui 9 per i tubi alettati ed 1
99
per il collegamento con il collettore alto, ed un supporto DN 16 che garantisce l‘ingresso
per la sensoristica. Il supporto DN 16 viene flangiato con un tappo che presenta un foro
filettato, ¼‘‘ GAS-NPT, (Figura 4.26 indicato dalla lettera ―A‖) che garantisce l‘attacco per
il supporto della termocoppia.
A
Fig.4.26: Collettore basso DN 63.
4.4.4.4.
Il tubo di collegamento ed i tubi di uscita
La connessione tra i due collettori DN 63 è garantita dal tubo di collegamento DN 25, che è
costituito semplicemente da un tubo in acciaio AISI 304L lungo 6 cm, saldato alle estremità
con due supporti flangiati DN 25.
I tubi di uscita, uno DN 25 e l‘altro DN 16, garantiscono invece la connessione del sistema
di tubi evaporanti con il resto dell‘impianto frigorifero; infatti il tubo DN 16 consente al
liquido di refrigerante, proveniente dal sistema condensatore-serbatoio, di riempire il
sistema evaporante; mentre il tubo DN 25 consente al vapore di metanolo di uscire dal
sistema in questione per essere indirizzato verso il collettore del collettore solare e quindi
per essere assorbito dal materiale adsorbente. Questi due componenti sono formati da due
pezzi di tubo in acciaio AISI 304L lunghi 17 cm e saldati alle estremità con due supporti
flangiati. Il tubo di uscita DN 25, diversamente dal tubo DN 16, è flangiato anche con un
100
supporto a forma di croce, Figura 4.24, che ha il duplice compito di collegare il sistema
evaporante con il collettore del collettore solare e di garantire l‘ingresso per il sensore di
pressione.
4.4.4.5.
Il sistema di aggancio
Il sistema di tubi evaporanti viene agganciato alla struttura di sostegno per mezzo di collari
e di tiranti, Figura 4.22;
questa soluzione ci permette di:
•
alleggerire il box frigorifero visto che il sistema di tubi evaporanti viene fissato,
attraverso i tiranti, sulla struttura di sostegno;
•
regolare in altezza la posizione del sistema stesso.
La possibilità di alleggerire il box frigorifero ci permette di utilizzare del semplice
lamierino come copertura dei blocchi isolanti in poliuretano (Paragrafo 4.4.2.).
4.5. La struttura di sostegno, iclinazione e piping
4.5.1. La struttura di sostegno
La struttura di sostegno, è un‘intelaiatura composta da profilati a sezione quadrata, a
sezione rettangolare e da profilati a sezione a ―T‖ ed a ―U‖. La scelta di realizzare l‘intero
scheletro della macchina frigorifera con questi profilati ci consente di limitare il peso
dell‘intera struttura senza compromettere la solidità della stessa; un altro aspetto importante
di questa soluzione tecnica è quello di rendere più semplice la realizzazione della macchina
e quindi di ridurre il tempo di consegna del prodotto finito e di renderlo il più economico
possibile.
101
Nella struttura di sostegno, tramite collari, cerniere ed il sistema di inclinazione, vengono
fissati i vari sistemi descritti nei paragrafi precedenti. Lo studio di come posizionare i
diversi componenti ha interessato un momento particolare della progettazione della
macchina; infatti la loro corretta distribuzione ci ha permesso di ottimizzare la circolazione
naturale del fluido refrigerante all‘interno del piping della macchina.
4.5.2. Il sistema di inclinazione
Il sistema di inclinazione ha la funzione di regolare l‘inclinazione del collettore solare in
modo da rendere perpendicolare l‘incidenza della radiazione solare sul collettore solare
stesso, al variare dell‘inclinazione del sole e al variare della posizione del macchina
frigorifera. A parità di superficie captante e di flusso luminoso, maggiore è l‘angolo di
incidenza della radiazione solare col piano captante e minore sarà l‘energia che colpirà la
regione di captazione; per questo motivo la possibilità di regolare l‘inclinazione del
collettore solare è molto importante ai fini dell‘ottimizzazione del funzionamento della
macchina frigorifera ad adsorbimento.
Proprio per l‘enorme importanza data alla possibilità di variare l‘inclinazione del collettore
solare si è studiato un sistema, di semplice realizzazione, che permette con la sola rotazione
di un volante, di variare l‘angolo di inclinazione del collettore solare piano.
Il sistema, consiste in una barra filettata, in un volante, in una serie di dadi e di perni e di
due sistemi di ancoraggio fissati uno nella struttura di sostegno ed uno nella cassa esterna
del collettore solare.
Il sistema di ancoraggio fissato sulla cassa esterna del collettore solare, Figura 4.27, è stato
pensato come un disco che presenta 3 fori, due per l‘innesto dei due perni che fissano il
sistema permettendone solamente la rotazione, ed uno centrale, filettato, che funge da
madrevite per la barra filettata.
102
L‘altro sistema di ancoraggio, cioè quello fissato sulla struttura di sostegno, differisce dal
precedente solamente per il fatto che il disco presenta un foro centrale non filettato. Come
si può vedere dalla Figura 4.28, la barra filettata si infila nel foro del sistema di ancoraggio
non filettato, e viene bloccata, in modo che non si sfili, attraverso una serie di dadi e
controdadi. Sempre dalla stessa figura si nota come viene posizionato il volante rispetto agli
altri componenti; attraverso poi un‘altra coppia di dati il volante viene vincolato alla barra
filettata in modo che la rotazione del volante comporti la rotazione della barra filettata.
Fig.4.27: Sistema di ancoraggio, fissato sulla
Fig.4.28: Assieme sistema di ancoraggio
cassa esterna del collettore solare.
fissato sulla struttura di sostegno, barra
filettata e volante.
In Figura 4.29 viene riportata una sequenza di immagini che ritrae lo scheletro del solar IceMaker in tre diverse inclinazioni.
Fig.4.29: Solar Ice-Maker con diverse angolazioni.
103
4.5.3. Piping
Con il termine ―piping‖, Figura 4.30, si intende l‘intero sistema di tubazione che costituisce
il solar Ice-Maker cioè:

I tubi riempiti di carbone attivo;

Il collettore del collettore solare;

Il
sistema
serbatoio;

Il sistema di tubi evaporanti;

I tubi flessibili DN 25 e DN 16;
condensatore-
 Le valvole servo-comandate DN
25 e DN 16.
Fig.4.30: Piping.
La presenza dei tubi flessibili permette non solo di realizzare un collegamento fisico tra i
sistemi descritti nei paragrafi precedenti, ma anche di garantire quella flessibilità necessaria
per la possibilità di inclinare il collettore solare termico.
Nel sistema sono presenti i seguenti flessibili:
•
10 tubi flessibili DN 63 che collegano i tubi di carbone attivo al collettore del
collettore solare;
•
1 tubo DN 25 che collega il collettore del collettore solare al sistema
condensatore/serbatoio;
•
1 tubo DN 16 che collega il sistema condensatore/serbatoio all‘evaporatore;
•
1 tubo DN 25 che collega il sistema di tubi evaporanti al collettore del collettore
solare.
104
Come si vede ci sono 3 elettrovalvole posizionate nel seguente modo:
•
1 valvola DN 25 inserita tra il collettore del collettore solare e il condensatore; La
sua apertura garantisce che il vapore proveniente dal collettore vada nel
condensatore.
•
1 valvola DN 16 inserita tra il serbatoio e l‘evaporatore; La sua chiusura permette
al vapore di terminare la fase di condensazione all‘interno del sistema
condensatore/serbatoio; Ma anche che il vapore proveniente dall‘evaporatore non
vada direttamente nel condensatore ma venga direzionato al collettore solare.
•
1 valvola DN 25 tra l‘evaporatore ed il collettore del collettore solare; l‘apertura di
questa valvola determina l‘adsorbimento del metanolo in fase vapore da parte del
carbone attivo.
105
Capitolo 5.
Absorptive Solar Ice Maker
5.1. Descrizione generale
5.1.1. IL Modello matematico
Il presente capitolo riporta la realizzazione di un modello matematico dinamico in grado di
simulare il funzionamento di una macchina frigorifera intermittente ad assorbimento
(acqua-Bromuro di litio) con le seguenti caratteristiche [37]:
•
La coppia refrigerante-assorbente utilizzata è acqua-bromuro di litio, data l‘estesa
documentazione relativa alle proprietà dei fluidi [32][3][33][34][35];
•
Per il collettore solare si fa riferimento ad un collettore piano, a singola copertura
vetrata, con la soluzione contenuta in tubi e superficie selettiva. La scelta della geometria
tubolare è dovuta ai vantaggi che questa comporta in termini di costo, peso e scambio
termico rispetto alla soluzione con piastra piana [1];
•
Il condensatore è costituito da una serpentina alettata di adeguata superficie;
•
L‘evaporatore è a geometria rettangolare/trapezoidale, date le ottime caratteristiche
di scambio termico, inserito nella camera fredda, consistente in un vano adeguatamente
isolato contenente l‘acqua da refrigerare.
L‘ideazione, la stesura e l‘implementazione del modello sono state eseguite con lo scopo di
ottenere uno strumento flessibile e caratterizzato da struttura modulare, in modo da poter
essere utilizzato nella progettazione e lo studio di impianti diversi comportando modifiche
minime all‘algoritmo risolutore.
106
5.1.2 Descrizione
La realizzazione del modello descritto di seguito muove dalla necessità di avere a
disposizione uno strumento sufficientemente preciso in grado di indagare le potenzialità di
un impianto frigorifero ad assorbimento alimentato da energia solare per la conservazione
delle derrate alimentari e vaccini nei paesi in via di sviluppo.
L‘output di interesse del modello consiste nelle prestazioni dell‘impianto e nell‘andamento
del ciclo termodinamico.
Dei dati di input, oltre ovviamente alle caratteristiche fisiche della macchina, fanno parte le
variabili descrittive del clima in cui l‘impianto sarà utilizzato. Le sole che verranno prese in
considerazione in questo lavoro sono l‘irraggiamento solare e la temperatura ambiente.
Essendo queste due grandezze funzioni del tempo sia nell‘arco di una giornata sia su base
annuale, naturalmente anche le prestazioni dell‘impianto mostreranno la stessa dipendenza
dal tempo. Il modello descrittivo deve essere, quindi, di tipo dinamico.
In figura 6.1 è rappresentato lo schema di funzionamento del modello.
Fig.5.1: Funzionamento del modello matematico.
107
5.1.3. Dati dinamici di input
Volendo indagare il funzionamento dell‘impianto in un Paese in via di sviluppo, a clima
tropicale o sub-tropicale, si è scelto di far riferimento ai Paesi della fascia equatoriale
dell‘Africa; più precisamente abbiamo preso in considerazione il Kenia.
Il Kenia è una nazione dell‘Africa orientale, affacciata sull‘oceano Indiano, confinante a
nord con la Somalia, l‘Etiopia ed il Sudan, ad est con l‘Uganda, a sud con la Tanzania
(figura 5.2); è stato scelto tale Paese avendo riscontrato che la radiazione solare incidente su
una superficie orizzontale raggiunge i valori più elevati delle altre località africane in quasi
tutti i mesi dell‘anno.
Fig.5.2: Kenia.
Conoscere con precisione il clima africano non è tuttavia cosa facile. I siti di misura sul
territorio in grado di fornire serie temporali di dati climatici per lunghi periodi sono molto
pochi [36]. Per questo motivo, al fine di ottenere una serie di dati adatti all‘inserimento nel
modello sviluppato, si è ricorso all‘elaborazione dei valori resi disponibili da ricerche ed in
letteratura.
108
Per la radiazione solare i valori sono stati ottenuti grazie al servizio PV-GIS (PhotoVoltaic
Geographical Information System), disponibile all‘indirizzo
http://re.jrc.cec.eu.int/pvgis/pv/index.htm. Tale sistema, nato dalla collaborazione
del Centro di Ricerca della Commissione Europea (J.R.C., Joint Research Centre) e
dell‘I.E.S. (Institute for Enviroment and Sustainability), si propone di fornire un database
geografico delle risorse dell‘energia solare e della distribuzione dell‘energia elettrica di
origine fotovoltaica nell‘area Europea, Africana e del sud-ovest dell‘Asia. Per alcune
località africane questo servizio è in grado di fornire diverse informazioni come la
radiazione solare totale ricevuta in un mese, l‘angolo di inclinazione ottimale dei pannelli,
ecc. (figura 5.3). Inserendo la posizione geografica, il mese e l‘inclinazione del collettore si
ottengono inoltre i valori della radiazione solare incidente, per un giorno tipico del mese,
rilevati ad intervalli di 15 minuti. Con i dati relativi a due mesi successivi si è effettuata
un‘interpolazione lineare per ricavare i valori di radiazione, sempre suddivisi a step
temporali di 15 minuti, per i trenta giorni intermedi (figura 5.5).
Fig.5.3: I dati del sistema PV-GIS per l‘Africa.
109
Il limite alla veridicità dei dati ottenuti è che i valori di origine sono valori medi, dunque
non rappresentativi del reale andamento della radiazione in un giorno qualsiasi. Inoltre si
hanno a disposizione i valori della radiazione solo per il periodo diurno (circa dalle 6.00
alle 18.00) il che ha portato a porre pari a zero la radiazione per le ore notturne.
Serie di valori di temperatura ambiente analoghe a quelle di radiazione non sono
attualmente disponibili. Al fine di avere due set di dati congruenti si è risalito
all‘andamento giornaliero, per un giorno rappresentativo del mese, tramite l‘interpolazione
dei valori di temperatura massima, minima e media con una funzione polinomiale di quarto
grado, calcolando poi i valori ad intervalli di 15 minuti con una relazione del tipo
T  at 4  bt 3  ct 2  dt  e
I valori di temperatura ambiente massima, minima e media sono stati ricavati tramite il
software DIVA-GIS. Quest‘ultimo è un‘applicazione usata per la previsione dello sviluppo
delle specie animali e vegetali, che fa uso di un esteso database di dati climatici che devono
essere impostati come dati di input per gli scenari: attingendo a tale database sono stati
trovati i valori delle temperature necessarie per l‘elaborazione (figura 5.4).
Fig. 5.4: Dati di temperatura forniti dal software
DIVA-GIS..
110
Fig.5.5: Andamento della radiazione solare dal 15 Luglio al 15 Agosto.
Fig.5.6: Andamento della temperatura ambiente dal 15 Luglio al 15 Agosto.
111
I valori di temperatura presi in considerazione sono, in questo caso, quelli relativi all‘area
nei pressi della località costiera di Mombasa. Ottenuti, dunque, i valori della temperatura
ambiente tipici di due mesi successivi, con lo stesso procedimento usato per la radiazione
solare, sono stati estrapolati gli andamenti per i trenta giorni intermedi (figura 5.6).
Essendo derivati da valori medi e sottoposti alla medesima elaborazione anche i dati di
temperatura sono soggetti agli stessi limiti dei dati di radiazione in termini di attendibilità.
5.1.4. Ipotesi di base
Il procedimento che porta alla stesura delle equazioni che descrivono il fenomeno fisico
prevede due fasi preliminari necessarie:
•
La formulazione di ipotesi semplificative tali da rendere la descrizione del sistema
quanto più possibile corretta, ma nello stesso tempo di agevole risoluzione;
•
L‘identificazione dei parametri descrittivi dell‘impianto.
Le principali ipotesi adottate in questa sede sono le seguenti:
•
La soluzione si considera spazialmente isoterma ed isobara.
•
La soluzione è in equilibrio con il vapore generato.
•
Uniformità della concentrazione della soluzione (non esistono gradienti spaziali di
concentrazione).
•
La fase di raffreddamento dalla pressione di condensazione a quella di
evaporazione avviene a concentrazione costante.
•
Nella fase di generazione si libera vapore di refrigerante puro.
•
Le dispersioni termiche nei collegamenti tra i componenti si considerano
trascurabili.
112
Le prime tre ipotesi risultano accettabili dati i lunghi tempi a disposizione per il
completamento delle fasi del ciclo. L‘ipotesi di raffreddamento a concentrazione costante è
vera poiché si considera il sistema dotato della valvola che si inserisce tra condensatore ed
evaporatore. La quinta ipotesi è vera poiché il bromuro di litio ha scarsa volatilità.
Le grandezze utilizzate (più significative) per la descrizione dell‘impianto sono costanti e
variabili:
Le costanti:
•
Masse dei componenti;
•
Calori specifici, eccetto quello relativo alla soluzione;
•
Coefficienti di scambio termico tra i componenti ed i fluidi interessati;
Invece le variabili sono le seguenti:
Ts (t ) , p s (t )

Temperatura e pressione della soluzione

Temperatura di saturazione del refrigerante alla pressione della soluzione
Tre (t )
X (t ) 
mLiBr
m
 LiBr
mLiBr  mH 2O
ms

Concentrazione in sale della soluzione

Temperatura dei tubi del collettore Tt (t )

Temperatura del condensatore e dell‘evaporatore

Temperatura dell‘acqua refrigerata
Tco (t ) , Tev (t )
Tw (t )
Sono queste ultime che costituiscono le incognite del modello.
5.2. Stesura e risoluzione delle equazioni
5.2.1. Stesura delle equazioni
113
La formalizzazione matematica del modello avviene considerando il funzionamento
dell‘impianto in ognuna delle quattro fasi del ciclo della soluzione. Per ogni fase si impone
il bilancio delle potenze termiche che interessano ogni componente dell‘impianto,
ottenendo così delle equazioni differenziali, alle quali si accoppiano le opportune relazioni
esistenti tra le grandezze incognite.
Nella figura 6.7 si indica schematicamente l‘impianto, i parametri relativi ad ogni
componente ed il volume di controllo considerato per l‘impostazione del modello.
Ricordando l‘andamento del ciclo intermittente e le quattro fasi che lo compongono sono di
seguito riportate le relative equazioni.
Fig.5.7: I parametri del modello relativo all‘impianto.
Fase I: riscaldamento a concentrazione costante
114
La soluzione viene riscaldata dalla radiazione solare a concentrazione invariata, con
aumento di temperatura e pressione da
pev a pco . Le equazioni relative a questa prima
fase risultano essere le seguenti cinque:
( ) e I  Ac  mt c pt
U ts Ats (Tt  Ts ) 
dTt
 U ts Ats (Tt  Ts )  U ta Ata (Tt  Tamb ) (5.1)
dt
mlb
dT
c ps ( X ) s
X
dt
dX
0
dt
Tre 
(5.2)
(5.3)
Ts  B( X )
A( X )
log10 ( ps )  C 
Le incognite sono
(5.4)
D
E

Tre  273.15 (Tre  273.15) 2
(5.5)
Tt (t ) , Ts (t ) , X (t ) , Tre (t ) , p s (t ) . Si nota come l‘equazione (5.1)
rappresenta l‘equilibrio dei flussi termici che interessano i tubi del collettore, con al primo
membro la potenza termica offerta dalla radiazione. La (5.2) mostra come la potenza
termica corrispondente al riscaldamento dei tubi metallici si trasformi completamente nel
riscaldamento della soluzione.
L‘equazione (5.4) introduce la
pressione
Tre (t ) , temperatura di saturazione del refrigerante puro alla
p s (t ) , che funge da variabile ausiliaria, tramite l‘equazione (5.5) per esprimere
la dipendenza della pressione della soluzione dalla sua temperatura
Ts (t ) . Per la forma
115
estesa delle espressioni del calore specifico della soluzione
c ps , dei coefficienti A(X ) e
B(X ) , dei valori delle costanti [37]
La fase I ha termine quando la pressione della soluzione eguaglia il valore di condensazione
pco , corrispondente alla pressione di saturazione del refrigerante alla temperatura del
condensatore, ed ha inizio la fase II.
Fase II: desorbimento
Al verificarsi della condizione della condizione
ps  pco , dalla soluzione comincia a
liberarsi il vapore di refrigerante in essa disciolto che fluisce verso il condensatore dove,
raffreddandosi subisce il passaggio dalla fase vapore alla fase liquida. In questo caso le
incognite sono le seguenti sei:
Tt (t ) , Ts (t ) , X (t ) , Tre (t ) , p s (t ) , Tco (t ) e le
corrispondenti equazioni sono:
( ) e I  Ac  mt c pt
U ts Ats (Tt  Ts ) 
Tre 
dTt
 U ts Ats (Tt  Ts )  U ta Ata (Tt  Tamb ) (5.6)
dt
mlb
dT
d 
1

c ps ( X ) s  mlb (  1) H s
X
dt
dt 
X

Ts  B( X )
A( X )
log10 ( ps )  C 
(5.7)
(5.8)
D
E

Tre  273.15 (Tre  273.15) 2
dT
d 
1

mlb (  1) r1  mco c pco co  U coa Aco (Tco  Tamb )

dt 
X
dt

(5.9)
(5.10)
116
pco  f (Tco )  k1  10
k2Tco
k3 Tco
(5.11)
Si nota come le equazioni di equilibrio dei flussi termici relativi al collettore sono
sostanzialmente simili a quelle della fase I, con la sola comparsa del calore di desorbimento
della soluzione. L‘equazione (5.10) esprime il bilancio di potenze per il condensatore, dove
il termine al primo membro rappresenta la potenza termica ottenuta dalla condensazione del
vapore sulle superfici dello scambiatore. Si precisa che, in questo caso, il termine
differenziale che rappresenta la quantità di vapore desorbito nelle equazioni (5.7) e (5.10)
va considerato in valore assoluto. Viene inoltre utilizzata la relazione che esprime il legame
tra pressione e temperatura di saturazione del refrigerante (acqua) nell‘equazione (5.11).
[37]
La fine della fase II avviene al raggiungimento della massima concentrazione della
soluzione e quindi dell‘impossibilità di desorbire ulteriore vapore di refrigerante. Ciò è
dovuto alla graduale diminuzione della radiazione e della temperatura ambiente, con il
sopraggiungere del tramonto, ed il conseguente raffreddamento del collettore.
Fase III: raffreddamento a concentrazione costante
Al verificarsi della condizione
dX
 0 la fase di desorbimento ha termine ed inizia il
dt
raffreddamento a concentrazione costante della soluzione. Tale fenomeno può essere reso
più efficace tramite l‘apertura di apposite finestre di ventilazione predisposte sul collettore.
Le incognite e le equazioni relative a questa fase sono formalmente identiche a quelle della
fase I:
( ) e I  Ac  mt c pt
dTt
 U ts Ats (Tt  Ts )  U ta2 Ata (Tt  Tamb ) (5.12)
dt
117
U ts Ats (Tt  Ts ) 
mlb
dT
c ps ( X ) s
X
dt
dX
0
dt
Tre 
(5.14)
Ts  B( X )
A( X )
log10 ( ps )  C 
(5.13)
(5.15)
D
E

Tre  273.15 (Tre  273.15) 2
(5.16)
Fase IV: assorbimento
Analogamente al passaggio tra la fase I e la fase II, quando si verifica che
ps  pev
finisce la fase III, si stabilisce la connessione con l‘evaporatore aprendo la valvola ed inizia
la quarta ed ultima fase di assorbimento. Nell‘evaporatore il refrigerante vaporizza,
provocando l‘effetto frigorifero nella camera fredda, e fluisce verso il collettore dove viene
disciolto in soluzione.
Le equazioni descrittive di questo processo sono simili a quelle utilizzate nella fase II, salvo
che nel sistema dovranno comparire i bilanci di potenze termiche relativi all‘evaporatore. Si
avranno dunque sette incognite
Tt (t ) , Ts (t ) , X (t ) , Tre (t ) , p s (t ) , Tev (t ) , Tw (t ) ,
nelle sette equazioni:
( ) e I  Ac  mt c pt
U ts Ats (Tt  Ts ) 
dTt
 U ts Ats (Tt  Ts )  U ta2 Ata (Tt  Tamb ) (5.17)
dt
mlb
dT
d 
1

c ps ( X ) s  mlb (  1) H s
X
dt
dt 
X

(5.18)
118
Tre 
Ts  B( X )
A( X )
log10 ( ps )  C 
(5.20)
D
E

Tre  273.15 (Tre  273.15) 2
(5.21)
dT
d 
1

mlb (  1) r2  U ev, w Aev (Tev  Tw )  mev c pev ev  U ev,a Aev,a (Tev  Tamb )

dt 
X
dt

(5.22)
mw c pw
dTw
 U ev,w Aev (Tev  Tw )  U wa Awa (Tw  Tamb )
dt
pev  f (Tev )  k1  10
k2Tev
k3 Tev
(5.23)
(5.24)
Anche in questo caso il termine differenziale al secondo membro dell‘equazione (5.18) che
esprime il vapore di refrigerante assorbito è da considerarsi in valore assoluto.
Analogamente alla fase II, si individua la condizione di fine assorbimento con il cambio di
segno della derivata della concentrazione, in questo caso da negativo a positivo.
Il momento in cui
dX
 0 sancisce quindi la fine della fase di assorbimento. Questa
dt
condizione dovrebbe avvenire in corrispondenza dell‘alba del giorno successivo, ma può
anche verificarsi prima. In quest‘ultimo caso, per la risoluzione del modello, si assume che
tutte le variabili si mantengano pari al valore raggiunto per il tempo rimanente.
A questo punto si può eseguire o meno la sostituzione dell‘acqua nella camera fredda e può
cominciare un nuovo ciclo.
119
5.2.2. Risoluzione delle equazioni
Per risolvere in sequenza i vari sistemi di equazioni ripetendo la procedura con i diversi dati
di input di ogni giorno, si rende necessaria l‘implementazione del modello in un opportuno
algoritmo risolvibile poi agevolmente da un calcolatore.
In questi termini si è cercato un adatto software commerciale che permettesse la
risoluzione, per via numerica o simbolica, del modello e possedesse delle funzioni di
gestione di strutture logiche simili ad un linguaggio di programmazione. La soluzione
adottata è Matlab 7.0 che, sebbene in questo caso specifico necessita di una
programmazione laboriosa per quanto riguarda la soluzione delle equazioni, è dotato di
potenti strumenti di controllo del flusso di variabili che consentono di conferire all‘intero
algoritmo una struttura altamente modulare e flessibile.
L’istruzione “dae2”
L‘implementazione del modello si basa sull‘uso iterativo del comando risolutore ―dae2‖,
non facente parte delle funzioni predefinite del software ma facilmente recuperabile
all‘indirizzo www.matlabcentral.com.
La sintassi del comando ―dae2‖ è la seguente
y = dae2(f, tspan, y0, nint, g)
in cui y è il vettore delle incognite che l‘istruzione fornisce come output e quelli indicati tra
parentesi sono gli argomenti da fornire in input:

f è una funzione definita dall‘utente che esplicita il sistema di equazioni
differenziali ed algebriche da risolvere f (t , y, y' )  0 con y' dy / dt

tspan è il vettore riga che rappresenta l‘intervallo di integrazione [ t 0 t1 t 2 . . .
t f ] con t n il generico punto in cui si vuole determinare il valore della soluzione

y0 è il vettore delle condizioni iniziali
120


nint è un intero pari al numero di iterazioni compiute nella risoluzione numerica
del sistema
g è un argomento opzionale, per l‘esecuzione di altre istruzioni
contemporaneamente alla soluzione, non necessario nel nostro caso.
Tra questi merita particolare attenzione f poiché è l‘argomento di input che deve fornire al
comando solutore tutte le informazioni sul sistema da risolvere. In realtà f deve essere una
―function‖ di Matlab, cioè un file contenente codice Matlab che accetta degli argomenti di
input e fornisce argomenti in output. L‘uscita di questa funzione costituisce l‘ingresso del
solutore dae2, che è a sua volta un‘altra function.
La sintassi relativa alla creazione della function f è
function [f, k, m] = nome (t, y, yd)
dove ―nome‖ è il nome della funzione, che va inserito come primo argomento di ingresso di
―dae2‖, mentre f, k, m sono l‘uscita della funzione ―nome‖, definiti dalle istruzioni
contenute al suo interno. In particolare


f
deve essere un vettore colonna [n x 1], con n numero di equazioni, in cui
ogni elemento corrisponde ad un‘equazione del sistema f (t , y, y' )  0 ;
k
deve essere una matrice [n x n] corrispondente alla matrice Jacobiana del
sistema f (t , y, y' )  0
k    df 
 dy 

m
deve essere una matrice [n x n] corrispondente alla matrice Jacobiana del
sistema f (t , y, y' )  0
m   df 
 dy ' 
A scopo esemplificativo si riporta di seguito il calcolo di f, k ed m per il sistema di
equazioni relative alla prima fase del ciclo, in cui:
121


m c dTt  U A (T  T )  U A (T  T )  ( ) A I 
t pt
ts ts t
s
ta ta t
amb
e c 


dt
m

dT
 lb c ps ( X ) s  U ts Ats (Tt  Ts )

dt
 X

 dX

f 

 dt



Ts  B ( X )
Tre 

A
(
X
)






D
E


C




(Tre  273,15) (Tre  273,15) 2 

 p s  10

U ts Ats  U ta Ata


 U ts Ats

k
0


0


0

mt c pt

 0
m 0

 0

 0
0
mlb
c ps
X
0
0
0
 U ts Ats
U ts Ats
0
1

A( X )
0
0
 c ps dc ps  dTs


 X  dX  dt


0
dB( X ) / dX  Ts  B( X )  dA( X )

 A( X ) 2  dX
A( X )


0
mlb
X
0

0 0

0 0

0 0


(*) 1
0
0 0 0

0 0 0

1 0 0
0 0 0

0 0 0
Dove (*) è:


D
E
 C


2 

(Tre  273) (Tre  273)  
10 


D
2E
 log(10)

 (T  273,15) 2 (T  273,15) 3 
re
re


Come già accennato la soluzione del modello, al fine di simulare il funzionamento
(*) 
dell‘impianto per un giorno completo, consiste nel risolvere in successione i sistemi di
equazioni relativi alle diverse fasi del ciclo. Questo compito è assolto dal comando ―dae2‖
appena descritto.
122
I dati di radiazione solare e temperatura ambiente sono raccolti in due vettori colonna [96 x
1], avendo suddiviso la giornata in 96 intervalli di 900 secondi (15 min).
Per permettere la risoluzione dei set di equazioni passando automaticamente da un sistema
alla soluzione del successivo ed utilizzando, di volta in volta, i dati variabili di radiazione e
temperatura si fa ricorso al costrutto while di Matlab, che consente di ripetere un gruppo di
asserzioni un numero indefinito di volte attraverso il controllo di una condizione logica.
[37]
Affinché l‘algoritmo descritto funzioni le function definite dall‘utente per il calcolo dei
sistemi di equazioni e delle relative matrici Jacobiane, devono essere memorizzate nella
cartella di lavoro di Matlab. Raccogliendo tutte le istruzioni per la simulazione di un ciclo
in un‘altra function o in uno ―script‖ (file contenente codice Matlab che non accetta
argomenti di entrata ne di uscita), si riesce, tramite un semplice ciclo di for, a simulare il
funzionamento della macchina per un numero prefissato di giorni.
Inoltre Matlab si interfaccia molto bene con il software Excell tramite i comandi xlsread e
xlswrite, rispettivamente di lettura e di scrittura. Tutti i dati in ingresso possono, quindi,
essere agevolmente organizzati in un foglio di lavoro Excell e da qui importati nel
programma, così come tutti i risultati della simulazione saranno memorizzati esportandoli
dall‘ambiente di Matlab ad un file di Excell per essere successivamente elaborati.
Per il dettaglio del listato delle varie parti componenti l‘algoritmo risolutore e per il Per il
flowchart, vedere [37].
5.3. Risultati
Qui vengono presentati i risultati ottenuti dalla risoluzione del modello con le modalità
descritte in precedenza.
123
Per la radiazione solare e la temperatura ambiente sono stati usati i valori ottenuti dalle
elaborazioni descritte nel precedente capitolo, riferiti alla località di Mombasa (Kenia).
Sono state eseguite due tipi di simulazione, distinguibili a seconda del periodo di tempo
considerato. Nella prima si prende a riferimento un mese e si osserva come il
comportamento della macchina varia gradualmente in trenta giorni. Nella seconda si
confrontano le prestazioni ottenute in una giornata tipica mensile per i diversi mesi
dell‘anno.
5.3.1 Parametri del sistema
L‘algoritmo risolutore consta di una prima parte dichiarativa in cui vengono assegnati i
valori dei parametri costanti caratteristici dell‘impianto. In particolare sono stati considerati
i valori riportati nella seguente tabella (tabella: 5.1):
( ) e
0,86
Coefficiente trasmissività-assorbimento
Ac
0,6 m2
Superficie collettore solare
mt
20 kg
Massa tubi metallici
cpt
465 J/kgK
2
Uts
20 W/m K
Uta
6 W/m2K
Uta2
10 W/m2K
Ata
Calore specifico tubo metallico
Coefficiente di scambio termico globale tubo metallico-soluzione
Coefficiente di scambio termico globale tubo metallico-ambiente a
finestre chiuse
Coefficiente di scambio termico globale tubo metallico-ambiente a
finestre aperte
2
Superficie di scambio termico tubo metallico-ambiente
2
1,695 m
Ats
1,639 m
Superficie di scambio termico tubo metallico-soluzione
ms
30 kg
Massa iniziale della soluzione
mco
50 kg
Massa del condensatore
cpco
465 J/kgK
Ucoa
2
100 W/m K
Calore specifico del condensatore
Coefficiente di scambio termico globale condensatore-ambiente
124
Aco
2 m2
Superficie di scambio termico condensatore-ambiente
mev
15 kg
Massa dell‘evaporatore
cpev
465 J/kgK
Uevw
Aev
Uwa
Calore specifico dell‘evaporatore
2
3000 W/m K
5m
2
Coefficiente di scambio termico globale evaporatore-acqua refrigerata
Superficie di scambio termico evaporatore-acqua refrigerata
2
0,2 W/m K
2
Coefficiente di scambio termico globale acqua-ambiente
Awa
1m
mw
6 kg
Massa acqua da refrigerare
cpw
4180 J/kgK
Calore specifico dell‘acqua
Ueva
Superficie di scambio termico acqua-ambiente
1m
2
Superficie di scambio termico evaporatore-ambiente
1m
2
Coefficiente di scambio termico globale evaporatore-ambiente
Ad eccezione dei parametri fisici caratteristici della soluzione, i restanti valori sono stati
desunti in letteratura [1]. Dalla stessa fonte derivano i dati climatici di radiazione e
temperatura ambiente utilizzati per la validazione del modello. Le prime simulazioni
effettuate con tali dati costituiscono un ottimo test per il buon funzionamento del
programma poiché, sebbene si riferiscano alla località di Messina, sono frutto di reali
rilevazioni effettuate ogni 10 minuti.
Dei valori tratti dalla letteratura quelli relativi al collettore solare sono stati modificati
affinché fossero adeguati al caso trattato. Si considera che i tubi metallici contenenti la
soluzione siano lunghi 1 m, con diametro esterno di 6 cm, spessore 1 mm e siano realizzati
in acciaio. Poiché la densità della soluzione acqua-bromuro di litio è funzione crescente
della concentrazione [35], si stima per questa un valore pari a circa 1262 kg/m3. Per il
contenimento dei 30 kg iniziali di soluzione stabiliti sono dunque necessari 9 tubi del tipo
descritto, che possono essere raccolti in un collettore di 0,6 m2 di area captante ed a cui
compete una massa totale approssimativa di 20 kg. Il collettore è inoltre dotato di una sola
copertura vetrata di 6 mm di spessore, e per il coefficiente trasmissività-assorbimento si
125
adotta il valore di 0,86, accettabile considerando che l‘inclinazione ottimale per le latitudini
del Kenia si attesta intorno ai 2 °.
Si ricorda che il coefficiente di scambio termico tra collettore ed ambiente assume valori
diversi a seconda della fase del ciclo considerata. Durante il riscaldamento a concentrazione
costante ed il desorbimento il collettore è chiuso, quindi il valore del coefficiente ( ) è
influenzato dallo scambio termico convettivo tra ambiente e copertura vetrata. Quando
invece il collettore è aperto, durante il raffreddamento a concentrazione costante e
l‘assorbimento, il coefficiente ( ) sarà influenzato dalla convezione naturale tra tubo
metallico ed ambiente esterno. I valori adottati per questi due parametri, tratti dalla
letteratura, sono da considerarsi valori limite in modo da effettuare la simulazione nelle
condizioni più conservative.
Anche il condensatore e l‘evaporatore, si considerano realizzati in acciaio.
5.3.3. Risultati ottenuti per un anno
Analogamente a quanto fatto precedentemente, sono state effettuate altre simulazioni per un
giorno tipico di ogni mese al fine di studiare la variabilità delle prestazioni dell‘impianto su
base annuale.
Per quanto riguarda la radiazione solare i dati ricavati dal sistema PV-GIS sono stati
calcolati supponendo di modificare periodicamente l‘orientamento del collettore in modo
da conferire l‘inclinazione ottimale per ogni periodo dell‘anno. In particolare sono stati
considerati i seguenti valori (tabella: 5.2):
Mesi
Angolo ottimale (°)
Gennaio, Febbraio, Marzo
0
Aprile
18
126
Maggio, Giugno, Luglio
30
Agosto
23
Settembre
8
Ottobre, Novembre, Dicembre
0
Questa ipotesi consente di ottenere un andamento della radiazione solare come quello
mostrato in figura 5.8, dal quale risulta come i periodi caratterizzati da maggiore
irraggiamento sono quelli che vanno da Gennaio a Marzo e da metà Settembre a Dicembre.
I risultati ottenuti sono stati poi elaborati con i medesimi criteri adottati per la simulazione
precedente, e riportati nei grafici seguenti.
Dall‘osservazione dei cicli termodinamici (Fig. 5.9) si nota che all‘aumentare del livello di
radiazione (da Gennaio a Marzo) , contestualmente ad un regime di temperatura ambiente
quasi invariato, si realizzano cicli caratterizzati da
X leggermente maggiori (dal 11,5%
al 12,5%) e livelli di pressioni operative simili. Questa tendenza si inverte al diminuire
della radiazione solare e della temperatura ambiente come accade per i mesi di Aprile
( X =11%) e Maggio( X =8,1%), nei quali si registrano anche l‘abbassamento della
pressione e della temperatura massima di ciclo.
Tale abbassamento si verifica fino a Giugno circa, per mantenersi costante fino a metà
Luglio. In seguito il livello di radiazione solare riprende ad aumentare, accompagnato da un
aumento percentualmente inferiore della temperatura ambiente, nei mesi di Agosto e
Settembre. Si nota infatti come la temperatura massima di ciclo aumenti nonostante le
pressioni operative rimangano basse, comportando quindi un maggiore
X , fino al valore
massimo del 15,9% proprio nel mese di Settembre.
127
Fig.5.8: Distribuzione del livello di radiazione solare in un anno.
Negli ultimi mesi dell‘anno la radiazione continua ad aumentare, così come la temperatura
ambiente, fino a valori prossimi a quelli di Gennaio. Così anche le grandezze che
individuano il campo di lavoro della macchina ritornano gradualmente ai valori iniziali.
Il comportamento descritto è ben rappresentato anche dal diagramma X-T come mostrato
nella Fig. 5.10. L‘andamento del valore della concentrazione in un giorno tipico del mese è
indicato nel Fig. 5.11, mentre la Fig 5.12 ne riporta la variazione nell‘arco di un anno del
valore minimo (concentrazione ricca), massimo (concentrazione povera) ed anche il
X
realizzato.
Nelle Figure 5.13 e 5.14 sono rappresentati gli andamenti delle temperature,
rispettivamente, della soluzione e del tubo metallico nel collettore, i quali riflettono la
tendenza descritta poco fa. Infatti, per la temperatura della soluzione, si ha un andamento
che va dai 60,9 °C di Gennaio ai 65,7 °C di Marzo, seguito da una progressiva diminuzione
ai 59,7°C in Aprile, fino ai 44,8 °C di Luglio. Si verifica poi un nuovo aumento di
temperatura con i 50,4 °C di Agosto, che continua fino a Dicembre in cui si ritorna sui 63,2
°C.
128
Allo stesso modo la Fig.5.15 riporta l‘andamento della temperatura dell‘acqua
nell‘evaporatore nei primi due giorni del mese, per la quale si registra il valore minimo di
circa 8,2 °C nei mesi di Marzo e Ottobre ed un valore massimo di 11,1 °C a Giugno.
L‘andamento su base annuale della temperatura massima della soluzione e della
temperatura minima dell‘acqua sono poi sintetizzati nella Fig. 5.16.
E‘ stato infine calcolato il COP solare (STR), la cui variazione nell‘arco dell‘anno è
mostrata dalla Fig. 5.17.
Fig.5.9: Ciclo termodinamico per un giorno tipico dei mesi da Gennaio a Settembre.
129
Fig.5.10: Ciclo per i mesi da Gennaio a Settembre nel diagramma X-T.
Fig.5.11: Andamento della concentrazione in un giorno tipico di ogni mese.
130
Fig.5.12: Variazione annuale dei valori di concentrazione e del ΔX.
Fig.5.13: Profilo della temperatura della soluzione in due giorni tipici di ogni mese.
131
Fig.5.14: Profilo della temperatura del tubo del collettore per un giorno tipico di ogni mese.
16
Gennaio
Febbraio
15
Marzo
Aprile
14
Maggio
Giugno
Luglio
Temperatura (°C)
13
Agosto
Settembre
12
11
10
9
8
7
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
160000
Tempo (secondi)
Fig.5.15: Profilo della temperatura dell‘acqua nell‘evaporatore nei primi due giorni di ogni
mese
132
Fig.5.16:
Variazione
annuale
della
temperatura
massima
di
ciclo
e
minima
dell‘acqua.
Fig.5.17: COP vs Mesi.
133
Capitolo 6.
Photovoltaic Solar Ice Maker
6.1. Descrizione generale
Il modello oggetto di studio è caratterizzato da tre componenti: 1- Panello solare (silicio
policristallino), 2- box frigorifero, 3- Compressore di vapore a corrente continua [38].
Nota. Non sono previsti nel modello né accumulo elettrico (batterie), né Inverter (DC/AC)
né regolatore di carica (per attenuare i costi, per alleggerire le manutenzione e meno
impatto ambientale).
1) Pannello solare modello SHARP ND-L3E6E al silicio multicristallino con una potenza
di picco 123W e le seguenti caratteristiche (tabella 6.1)
Il pannello solare necessità di un‘elevata efficienza per garantire alti valori di potenza anche
nelle giornate più nuvolose.
134
2) Box frigorifero con una capacità di 140 litri e un spessore dell‘isolamento ( poliuretano )
14 cm. All‘interno della cella sono presenti due sezione, una per la conservazione dei
alimenti/vaccini ed una per il contenimento dell‘acqua che una volta congelata fungerà da
accumulo termico, necessario per far fronte agli innalzamenti di temperatura nei periodi di
off del compressore.
3) Compressore ermetico Danfoss R600a BD35K 10-45 V DC che utilizza appunto come
fluido frigorifero l‘R600a ( isobutano) e ha le seguenti prestazioni (tabella 6.2):
Osservazioni generali.
La scelta del compressore e del modulo fotovoltaico è dettata proprio dall‘assenza della
batteria, inoltre Il compressore deve avere una bassa corrente di avviamento ( start-up) (fig.
4.12) per garantire l‘accensione anche quando il pannello non produce valori elevati di
potenza. Questo modello inoltre permette il collegamento diretto al pannello solare, senza
la necessità di un regolatore di carica. Il suo range di voltaggio da 10 a 45 V copre
ampiamente il range di voltaggio in uscita dal pannello fotovoltaico.
135
Fig.6.1: Andamento della corrente di funzionamento del compressore
6.2. Il modello matematico
Il modello matematico dinamico in grado di simulare il funzionamento di un refrigeratore
fotovoltaico. L‘ideazione, la stesura e l‘implementazione del modello sono state eseguite
con lo scopo di ottenere uno strumento flessibile e caratterizzato da struttura modulare, in
modo da poter essere utilizzato nella progettazione e lo studio di impianti con diverse
caratteristiche comportando modifiche minime all‘algoritmo risolutore.
6.2.1. I dati dinamici di input
Volendo indagare il funzionamento dell‘impianto in un Paese in via di
sviluppo, a clima tropicale o sub-tropicale, ma non avendo a disposizione
136
dati dinamici con minimi step di rilevamenti, sono stati utilizzati i dati
raccolti da una stazione di rilevamento sita nel CNR-ITAE di Messina.
E‘ composta schematicamente da due parti, la prima costituita dai sensori e
la seconda da un sistema di acquisizione al quale è possibile connettersi da
postazioni remote per prelevare i dati raccolti. I sensori utilizzati sono:
•
Un piranometro a termoelemento con campo di misura da 0 W/m2 a 1300 W/m2.
Esso restituisce all‘uscita un segnale in corrente variabile da 4 mA a 20 mA.
•
Un sensore per la misura della velocità del vento, con campo di misura do 0 m/s a
50 m/s. Anche questo sensore restituisce all‘uscita un segnale in corrente variabile da 4 mA
a 20 mA.
•
Un sensore per la misura della direzione del vento con campo di misura da 0° a
360° e che restituisce all‘uscita un segnale da 4 mA a 20 mA.
•
Una termocoppia per la misura della temperatura ambiente.
Il segnale in uscita ai sensori viene raccolto da una scheda di acquisizione, la quale
immagazzina i dati in una unità predisposta della National Instruments.
Questo processo è regolato da un programma realizzato in Labview che mette a
disposizione una semplice interfaccia grafica per mezzo della quale l‘utente può rilevare i
dati o consultarli in tempo reale.
Nell‘insieme dei dati acquisiti, quelli per noi interessanti sono i valori istantanei della
radiazione solare globale e temperatura ambiente, i quali sono registrati, dalla stazione di
rilevamento, ad intervalli di 600 secondi.
Mentre il valore di temperatura ambiente può essere utilizzato direttamente, la radiazione
globale deve essere opportunamente valutata per risalire alla frazione di radiazione
137
utilizzabile da un pannello fotovoltaico inclinato. La relazione utilizzata per legare la
radiazione globale ( Gor ) a quella utile (G) è riportata al paragrafo 6.2.3.
Utilizzando tali dati, tramite il modello matematico esposto di seguito si otterrà il
comportamento termico istantaneo dell‘impianto riuscendo ad analizzare la variazione della
temperatura all‘interno della cella durante l‘arco di una qualsiasi giornata dell‘anno.
6.2.2. Ipotesi di base
Il procedimento che porta alla stesura delle equazioni che descrivono il fenomeno fisico
prevede due fasi preliminari necessarie:
•
La formulazione di ipotesi semplificative tali da rendere la descrizione del sistema
quanto più possibile corretta, ma nello stesso tempo di agevole risoluzione;
•
L‘identificazione dei parametri descrittivi dell‘impianto.
Le principali ipotesi adottate in questa sede sono le seguenti:
•
La trasmissione del calore durante i periodi di off del compressore è valutata in
regime non permanente con il metodo a elementi finiti (paragrafo 6.2.4.).
•
Il carico termico dei vaccini non è stato considerato, perché si è assunto che la loro
temperatura, in ingresso nel refrigeratore, è nei range di conservazione e quindi alla
temperatura a cui viene mantenuta la cella.
•
Il carico termico per infiltrazioni d‘aria non è stato considerato.
•
Il rendimento del pannello fotovoltaico è stato valutato in funzione di un
rendimento di riferimento (paragrafo 6.2.3.).
Tra le grandezze utilizzate per la descrizione dell‘impianto ve ne sono due tipi:
Costanti:
•
Masse dei componenti;
•
Calori specifici;
138
•
Coefficienti di scambio termico;
Variabili:
Tc (t )
•
La temperatura della cella
•
La temperatura dell‘acqua nelle diversi fase
•
La massa di ghiaccio
•
La temperatura dei nodi
•
La potenza erogata dal modulo Pmod (t )
Tw (t )
M w (t )
TA (t), TB (t), TC (t), TD (t)
6.2.3. Calcolo della potenza elettrica istantanea
Per poter determinare il numero di ore giornaliere di funzionamento del compressore, è
necessario determinare la potenza elettrica istantanea erogabile da un pannello fotovoltaico.
Il dato di partenza è la radiazione globale misurata su piano orizzontale dal piranometro.
Per un singolo pannello fotovoltaico l‘equazione di bilancio energetico istantaneo si può
scrivere con l‘equazione.
P    G  A  A U c (Tc  Ta )   AG
Dove P è la potenza elettrica fornita dalla cella ,

(6.1)
è il rendimento, G è la radiazione
globale incidente calcolata in funzione dell‘inclinazione del pannello, Tc la temperatura
media della cella , Ta la temperatura dell‘aria esterna, Uc il coefficiente di scambio termico
tra la cella e l‘ambiente esterno e

il valore del potere di assorbimento della radiazione
tipico del pannello.
L‘equazione che esprime il rendimento istantaneo della cella in base ai valori istantanei
della temperatura ambiente Ta e dell‘irraggiamento solare G è:
139

G  
1


(
T

T
)


*
a
r
*

U c 

  r
G
1 r *
Uc
Dove:
r
è il rendimento di riferimento tipico del pannello (valutato alla temperatura di
riferimento Tr =298K, per un irraggiamento di 1KW/ ed una massa d‘aria relativa m=1) e
β un coefficiente (per celle al silicio 0.0045° ).
Un metodo semplice ed efficiente di stima del coefficiente di scambio termico è basato
sulla conoscenza della temperatura operativa nominale della cella NOCT, rilevata
sperimentalmente, con il modulo disposto nella posizione di lavoro, per una radiazione
incidente di 800 W/m2, una velocità del vento di 1 m/s, una temperatura ambiente di 20°C
e con il modulo operante a circuito aperto (rendimento nullo).
Uc 
  800
noct  20
La radiazione istantanea globale incidente su una superficie comunque orientata è somma
della componente diretta, della componente diffusa proveniente dalla porzione di volta
celeste ―vista‖ dalla superficie, della componente riflessa dal terreno e dagli eventuali
oggetti circostanti verso la superficie stessa
 
 
G  Ibn cos i  I do cos2    ( Ibn sen  I do )   sen2  
2
2
(6.2)
Dove:
β : l‘angolo di inclinazione del pannello sul piano orizzontale
140
ρ: coefficiente di riflessione del terreno[0.2 (erba, cemento) a 0.75 (neve)].
1) Il primo é la radiazione diretta incidente
Gb  Ibn cos i
Dove:
i: angolo di incidenza, angolo tra i raggi solari e la normale alla superficie
Ibn
: l‘irraggiamento diretto normale in funzione dell‘irraggiamento extraterrestre e del
coefficiente di trasmissione della radiazione diretta,
2) Il secondo termine é la radiazione diffusa incidente sulla superficie inclinata di un angolo
β
 
Gd  I do cos 2  
2
Id0 l‘irraggiamento diffuso su piano orizzontale
I do  I0 d sen
τd coefficiente di trasmissione, per giornate serene, è espresso da una relazione sviluppata
da Liu e Jordan
 d  0.2710  0, 2939 b
τb coefficiente di trasmissione di radiazione diretta
3) L‘ultimo termine a destra dell‘uguale della (6.2) esprime invece la radiazione riflessa dal
terreno sulla superficie
141
 
Gr  ( I bn sen  I do )  sen2  
2
Una volta calcolato il prodotto tra radiazione globale incidente e il rendimento della cella, è
possibile calcolare la potenza elettrica, moltiplicandolo per la superficie di un modulo
scelto fra quelli disponibili in commercio.
6.2.4. Flusso termico attraverso le pareti della cella frigorifera
La determinazione dell‘andamento della temperatura interna della cella, nel periodo in cui
la potenza elettrica prodotta dal sistema fotovoltaico non è sufficiente per l‘azionamento del
compressore, è un problema di flusso termico periodico attraverso le pareti, in quanto
vanno considerate le variazioni periodiche di temperatura esterna dell‘ambiente.
Nei problemi di flusso termico in regime non permanente, la temperatura oltre che del
tempo può essere funzione della variabile di spazio ―x‖, cioè funzione della posizione
all‘interno del sistema. I sistemi in cui la variazione di temperatura è funzione di due
variabili (t,x) sono detti sistemi con resistenza non trascurabile.
Determinare la temperatura della faccia interna della parete dopo un determinato periodo di
tempo, permette di conoscere il valore della temperatura interna della cella.
In questi casi lo studio termico va condotto mediante tecniche numeriche, che possono
essere sviluppate con calcoli manuali o con calcolatore.
L‘equazione per descrivere il flusso termico del sistema ―parete della cella frigorifera‖ è:
k
T
T
 c
2
x

(6.3)
Dove:( k è il coefficiente di conduttività, ρ è la densità; c è il calore specifico).
142
Per risolverla numericamente bisogna trasformarla in un equazione a differenze finite. Si
comincia col dividere la parete in strati di spessore x , si fissa quindi una scala dei tempi,
secondo incrementi di tempo finiti
 , indicando con t il numero dei  trascorsi.
Con riferimento alla Fig. 6.2 il gradiente di temperatura medio, nella sezione compresa tra
(n-1) e n, è
gradiente è
(T t n1  T t n ) / x e nella sezione adiacente, compresa tra n ed (n+1), il
(T t n  T t n1 ) / x .
Nell‘intervallo di tempo  del calore passa per conduzione dal piano (n-1) al piano n e
da questo al piano (n+1); la differenza fra flusso entrante e uscente dal piano n determina
una variazione dell‘energia interna dello strato ab, che si estende di x /2 a sinistra ed a
destra del piano n.
Fig. 6.2: Gradiente temperatura medio nella parete cella.
Tralascio i vari passaggi, Alla fine arriviamo a questa equazione:
143

 k   k
Tnt 1  Tnt 1  2

T t n 1  T t n 1 
2 
2 
cx  c x

(6.4)
Fissando le condizioni al contorno potrei risolverla sapendo istante per istante la
temperatura nella parete della cella (in ogni sua sezione) comunque a noi ci interessa di più
vedere l‘andamento della temperatura al interno della cella. [38]
6.2.5. Stesura complessiva delle equazioni
La formalizzazione matematica del modello avviene considerando tutte le differenti fasi di
funzionamento dell‘impianto durante il giorno, in relazione alla potenza generata dal
modulo fotovoltaico.
Le fasi sono essenzialmente cinque:
Fase 0: Calcolo della potenza in uscita dal modulo
Durante l‘arco della giornata il modulo fotovoltaico (superficie A) riceve la radiazione
incidente G, che messa in relazione con il rendimento e la superficie, fornisce una corrente
elettrica che oltre un determinato valore attiva il compressore. Le equazioni relative a
questa fase risultano essere le seguenti (descritti prima):
Pel   AG

G  
1  * (Ta  Tr )  * U 
c 
  r 
r *G
1
Uc
r   
Uc 
Uc  (Tr  Ta )
G
  800
noct  20
144
Fase I: Start compressore
Quando la corrente elettrica generata dal modulo eguaglia la corrente elettrica di start-up
del compressore, si attiva la macchina frigorifera che ha la funzione di abbassare la
temperatura della cella e di portare a zero la temperatura dell‘acqua, momento in cui
inizierà la produzione del ghiaccio. Le equazioni relative a questa fase risultano essere le
seguenti:
mwCw
dTw
 UA(Tw  Ta )  UA(Tw  Tamb )  Qev
dt
ma Ca
dTa
 UA(Tamb  Ta )  UA(Tw  Ta )
dt
Qev  COP  Pel
Dove A in questo caso è la superficie di scambio e U la conduttanza
Le incognite sono dunque la temperatura dell‘acqua in funzione del tempo
Tw (t) e quella di
maggior interesse la temperatura dell‘aria all‘interno della cella in funzione del tempo
Ta (t).
In pratica le due equazioni rappresentano il bilancio termico dei due elementi aria e acqua
condizionati dalle superfici di scambio termico A e le conduttanze U.
Il contributo fornito dalla macchina frigorifera
Qev è anch‘esso in funzione del tempo ed è
in relazione alla potenza erogata dal modulo fotovoltaico che incide appunto sulla potenza
erogabile dal compressore. E‘ stata posta nell‘equazione di bilancio termico dell‘acqua
perché è stato ipotizzato che l‘evaporatore sia a contatto con il box che la contiene.
Fase II: Formazione del ghiaccio
La fase precedente si è conclusa con la temperatura dell‘acqua che ha raggiunto i 0°C.
Adesso è necessario rappresentare le equazioni del bilancio termico dei due elementi
145
considerando che l‘acqua comincerà progressivamente a trasformarsi in ghiaccio e che va
dunque valutato il calore latente di solidificazione e non la capacità termica in quanto si
verificherà un cambiamento di fase in cui la temperatura dell‘acqua rimarrà costante a 0°C.
Il bilancio termico dell‘aria tiene dunque in considerazione questo elemento. Le equazioni
relative a questa fase risultano essere le seguenti:
Lw
dmw
 UA(Tw  Ta )  UA(Tw  Tamb )  Qev
dt
ma Ca
dTa
 UA(Tamb  Ta )  UA(Tw  Ta )
dt
Qev  COP  Pel
Adesso le incognite sono la massa di ghiaccio prodotta
dell‘aria interna alla cella
mw (t) e sempre la temperatura
Ta (t).
Lw dunque è il calore latente di solidificazione dell‘acqua e di conseguenza in questa fase
Tw rimane costante a 0°C.
Fase III: Sotto raffreddamento del ghiaccio
Quando il cambiamento di fase si esaurisce, in quanto tutta la massa d‘acqua è diventata
ghiaccio, l‘equazione del bilancio termico si modificano nuovamente.
Va considerata la capacità termica del ghiaccio e la temperatura in questa fase non è
costante ma torna a scendere in funzione del calore sottratto
Qev che genera un sotto
raffreddamento. Le equazioni relative a questa fase risultano essere le seguenti:
146
mwCw
dTw
 UA(Tw  Ta )  UA(Tw  Tamb )  Qev
dt
ma Ca
dTa
 UA(Tamb  Ta )  UA(Tw  Ta )
dt
Qev  COP  Pel
Le incognite sono la temperatura del ghiaccio
Tw (t) e sempre la temperatura dell‘aria
interna alla cella. Il valore che cambia in questa fase è
Cw che il calore specifico del
ghiaccio e non dell‘acqua. Questa fase ha termine quando il modulo non è in grado di
produrre la necessaria potenza per lo start del compressore e ciò è dovuto alla graduale
diminuzione della radiazione solare, con il sopraggiungere del tramonto.
Fase IV: Off del compressore
Questa fase è dunque caratterizzata da un flusso termico di calore entrante nella cella
frigorifera in assenza dell‘apporto di sottrazione del calore garantito dalla macchina
frigorifera. Si deve rappresentare la trasmissione del calore fra la temperature ambiente e
l‘aria interna alla cella, che a sua volta subisce l‘influenza dello scambio termico con il
ghiaccio che si trova a temperatura inferiore. Le equazioni relative a questa fase risultano
essere le seguenti:
mwCw
dTw
 UA(Tw  Ta )  UA(Tw  Td )
dt
ma Ca
dTa
 UA(Td  Ta )  UA(Tw  Ta )
dt
La prima equazione rappresenta il bilancio termico dell‘acqua, ma in questa fase è
necessario considerare come nelle fasi precedenti i cambiamenti di stato dell‘elemento, con
conseguente modifica del primo membro dell‘equazione.
147
Il valore Td
rappresenta la temperatura della superficie interna della parete della cella
opportunamente calcolata con il metodo a elementi finiti.
Questa fase si protrae per tutte le ore notturne e le prime ore del giorno seguente, fin
quando la radiazione del sole non è tale da generare una corrente elettrica nel modulo
necessaria ad attivare il compressore, momento in cui riparte il ciclo fin ad ora descritto.
6.2.6. Risoluzione
Per risolvere in sequenza i vari sistemi di equazioni ripetendo la procedura con i diversi dati
di input di ogni giorno, si rende necessaria l‘implementazione del modello in un opportuno
algoritmo risolvibile poi agevolmente da un calcolatore.
In questi termini si è cercato un adatto software commerciale che permettesse la
risoluzione, per via numerica o simbolica, del modello e possedesse delle funzioni di
gestione di strutture logiche simili ad un linguaggio di programmazione. La soluzione
adottata è Matematica 5.0 che, sebbene in questo caso specifico necessita di una
programmazione laboriosa per quanto riguarda il controllo del flusso di variabili che
consentono di conferire all‘intero algoritmo una struttura altamente modulare e flessibile, è
dotato di potenti strumenti per quanto riguarda la soluzione delle equazioni.
Per la descrizione dettagliata della lista di programmazione guarda [38].
6.3. Risultati
In questo capitolo vengono presentati i risultati ottenuti dalla risoluzione del modello con le
modalità descritte in precedenza.
I risultati di maggior interesse sono quelli dell‘andamento della potenza del modulo in
modo da poter determinare il numero delle ore di on e di off del compressore, l‘andamento
148
giornaliero della temperatura dell‘aria all‘interno della cella frigorifera e la temperatura dei
nodi fissati lungo lo spessore dell‘isolamento.
6.3.1. Potenza elettrica istantanea
Il primo risultato interessante è quello di poter verificare come incide l‘inclinazione del
pannello fotovoltaico sulla radiazione intercettata nei diversi mesi dell‘anno. Partendo
,infatti, da radiazione incidente su piano orizzontale è stata valutata la radiazione su un
piano inclinato di un angolo di 60° rispetto all‘orizzontale. Il valore dell‘inclinazione
ottimale è stato valutato monitorando i risultati ottenuti con altri valori, partendo dal
presupposto che nei periodi invernali il range di ottimizzazione alle nostre latitudini è di 5060°.
Fig.6.3: Andamento giornaliero della radiazione su piano orizzontale a confronto
con la radiazione su piano inclinato di 60°.
149
Fig.6.4: Andamento giornaliero della radiazione su piano orizzontale a
confronto con la radiazione su piano inclinato di 60°.
E‘ altrettanto importante visualizzare la potenza generata dal modulo in rapporto alle
radiazioni incidenti (mese di Dicembre grafico 6.5). Nella figura 6.6 si nota la dipendenza
del rendimento modulo alla temperatura raggiunta dalle celle fotovoltaiche.
Fig.6.5: Andamento giornaliero della radiazione su piano inclinato di 60° e della
potenza del modulo (120Wp).
150
Fig.6.6: Andamento dei rendimenti delle celle fotovoltaiche in funzione delle temperature
nel mese in un giorno di Agosto e Dicembre.
Dalla figura 6.6 è molto evidente come il rendimento di una cella scende rapidamente con
l‘aumentare della temperatura celle fotovoltaiche. È quindi evidente come ad Agosto la
temperatura esterna incide su quella della cella.
Dopo le valutazioni sull‘importanza di una corretta inclinazione del pannello in funzione
delle proprie esigenze, possiamo mettere in evidenza le potenze erogate giornalmente dai
moduli in diversi mesi. Concentriamo l‘attenzione sul numero delle ore in cui il modulo
eroga una potenza superiore alla potenza richiesta dal compressore per mettersi in funzione.
Considerando che la corrente di avviamento ( start-up) è circa 2 A fino a una corrente di
regime di 2.7 A e mantenendo un voltaggio pari a 12 V la potenza necessaria varia fra i 24
e i 32 W (figura 6.7; 6.8, 6.9).
151
Fig.6.7: Andamento potenza modulo nell‘arco di due giorni campione di Agosto.
Fig 6.8: Andamento potenza modulo nell‘arco di tre giorni campione di Dicembre.
E‘ evidente come le ore, in cui la potenza del modulo ad Agosto supera i 30 W, siano molto
maggiori di quelle a Dicembre.
Effettuando una valutazione statistica negli stessi mesi si è ottenuto il seguente risultato
riportato nella tabella 6.3
152
Tab.6.3: Numero di ore in media di On e Off della macchina frigorifera nei mesi di Agosto e Dicembre.
Agosto
Dicembre
ORE ON
10 h 20‘
4h
ORE OFF
13 h 40‘
20 h
Fig.6.9: Andamento della potenza del modulo in giorni caratteristici di Agosto e Dicembre.
Anche in questo grafico si può notare come le ore, in cui la potenza erogata è maggiore di
30 W, sono maggiori in un giorno di Agosto rispetto ad un giorno di Dicembre. Ma è
altrettanto evidente come il picco di potenza nel giorno di Dicembre sia maggiore di quello
ad Agosto. Questo perché il pannello ha un‘ inclinazione di 60° particolarmente favorevole
nei periodi invernali e perché il rendimento delle celle è maggiore per le motivazione
precedentemente analizzate.
153
6.3.2. La temperatura interna alla cella frigorifera
Il primo risultato di interesse è quello in cui si evidenzia la capacità del ghiaccio di fungere
da accumulo termico. Si riporta, infatti, l‘andamento della temperatura interna alla cella,
valutata per 4 giorni con e senza l‘accumulo di ghiaccio, mantenendo costante lo spessore
dell‘isolamento a 14 cm e partendo da una temperatura iniziale della cella di 2.5 °C.
Nei grafici riportati di seguito vengono anche raffigurati gli andamenti della temperatura
nei diversi nodi fissati all‘interno dell‘isolante, ricordando che il nodo A è quello della
parete esterna e il nodo D è quello della parete interna (fig. 6.10).
Fig.6.10: Rappresentazione dei nodi fissati lungo lo spessore dell‘isolante.
Fig.6.11: Andamenti delle temperature calcolate in 4 giorni
con il compressore in stato di off ma con l‘accumulo di 5
Kg di ghiaccio (Dicembre).
154
Fig.6.12: Andamento delle temperature calcolate in 4 giorni di Agosto con il compressore
in stato di off ma con 5 kg di accumulo di ghiaccio (Agosto).
La figura 6.11 evidenzia come, grazie all‘accumulo di ghiaccio, nonostante lo stato di off
del compressore, la temperatura interna della cella raggiunge gli 8°C dopo 47 ore e 50
minuti. Questo valore assume un aspetto importante se confrontato con il valore medio
delle ore di off del compressore nello stesso mese (20 h). Il profilo successivo mette invece
in evidenza come, senza l‘accumulo di ghiaccio, l‘innalzamento della temperatura interna è
molto più rapido fino a raggiunge gli 8 °C dopo 24 ore. La figura 6.12 mette invece in
evidenza come influisce l‘innalzamento della temperatura esterna sull‘efficienza
dell‘isolamento. Nel mese di Agosto, infatti, dove la temperatura esterna è raddoppiata
rispetto a quella del mese di Dicembre, la temperature interna raggiunge gli 8°C dopo sole
17 ore e 33 minuti.
Dopo aver valutato gli effetti dello spessore e dell‘accumulo di ghiaccio sul trasferimento
del calore, si rappresenta l‘andamento della temperatura interna alla cella ottenuto da una
simulazione di normale funzionamento del sistema per 4 giorni in tre mesi differenti. Si
rappresentano inoltre gli andamenti della temperatura interna, nell‘arco di un giorno, dove
155
si evidenziano le diverse fasi del ciclo in relazione alla potenza erogata dal pannello
fotovoltaico (figure: 6.13; 6.14; 6.15).
Fig.6.13: Confronto dell‘ andamento della T interna per 4 giorni in mesi differenti.
Fi.6.14: Andamento giornaliero della T interna in funzione della potenza erogata dal
modulo fotovoltaico il 1 Agosto.
156
Fig.6.15: Andamento giornaliero della T interna in funzione della potenza erogata dal
modulo fotovoltaico il 16 Dicembre.
157
Capitolo 7.
Confronto finale
Si passa ora ad esaminare i principali aspetti e gli elementi da tenere in considerazione nella
scelta della macchina ad energia solare per la produzione di ghiaccio e sceglierne quella
migliore.
Per poter effettuare una scelta consapevole, ho messo i dati a mia disposizione delle
prestazioni (indici) dei vari sistemi, e delle relative caratteristiche, valutate a parità di
condizioni operative (es. condizioni climatiche tropicali, desertiche, mediterraneo…) in
modo da poter esprimere un giudizio più oggettivo.[2] [39]
7.1. Il primo confronto
1) STR
Il rendimento di una macchina frigorifera solare, comunemente indicato come
S.T.R.(System Thermal Ratio), è (la capacità frigorifera)x(unità di superficie del collettore
[W/m2]) / (radiazione solare ricevuta [W/m2]); oppure ( COP) x (efficienza del collettore).
Compressione
vapore
Assorbimento
Adsorbimento
Valori
0,08
0,08
0,15
Punteggio
2
2
3
Nota. Ho diviso l’intervallo di STR da (0.00) fino a (0.25) in cinque intervalli di cui ho
assegnato un punteggio da 1 fino a cinque in modo crescente.
158
2) DIP/CS [Kg/giorno]
La quantità di ghiaccio prodotta al giorno (Daily Ice Production) [Kg/giorno] /superfice del
collettore solare (Collector surface) [m2]
Compressione
Assorbimento
Adsorbimento
(10/2)=5
(50/10)=5
0.15
3
3
5
vapore
Valori [Kg
ghiaccio/giorno]
Punteggio
Nota. Ho diviso l’intervallo di DIP/CS da (0.00) fino a (10) in cinque intervalli di cui ho
assegnato un punteggio da 1 fino a cinque in modo crescente.
3) Dimensione collettore [m2]
È un indice che indica l‘occupazione del suolo (il massimo quando l‘angolo
d‘inclinazione panello 0°
Compressione
vapore
Assorbimento
Adsorbimento
Valori [m2]
1,2
10
2
punteggio
5
1
5
Nota. Ho diviso l’intervallo (0.00) fino a (10) in cinque intervalli di cui ho assegnato un
punteggio da 1 fino a cinque in modo decrescente.
4) Volume macchina [m3]
Compressione
vapore
Assorbimento
Adsorbimento
159
Valori [m3]
(1,74x1,45x0,9)
(2x5x2)
(0,5x0,5x0,5)
2,28
20
0,125
5
1
5
Punteggio
Nota. Ho diviso l’intervallo da (0.00) fino a (20) in cinque intervalli di cui ho assegnato un
punteggio da 1 fino a cinque in modo decrescente.
5) Massa Macchina [kg]
Compressione
vapore
Assorbimento
Adsorbimento
Valori [kg]
50
600
200
Punteggio
5
1
4
Nota. Ho diviso l’intervallo da (0.00) fino a (600) in cinque intervalli di cui ho
assegnato un punteggio da 1 fino a cinque in modo decrescente
6) Prezzo [€]
Compressione
vapore
Assorbimento
Adsorbimento
Valori [€]
2000
5400
3600
Punteggio
4
1
3
Nota. Ho diviso l’intervallo da 1000[€] fino a 6000[€] in cinque intervalli di cui ho
assegnato un punteggio da 1 fino a cinque in modo decrescente
7) Volume Box frigo [m3]
Compressione
Assorbimento
Adsorbimento
160
vapore
Valori [dm3]
50
100
328
punteggio
1
2
5
Nota. Ho diviso l’intervallo da (0.00) fino a (400) in cinque intervalli di cui ho
assegnato un punteggio da 1 fino a cinque in modo crescente
8) Dipendenza dal tipo di Radiazione
Si rammenta che il sistema FV composto di panelli al silicio policristallino che
usufruisce della radiazione diretta in primis; e che la macchina ad assorbimento
usa il concentratore solare che ha bisogno di radiazione diretta.
Compressione
vapore
Assorbimento
Tipo di
Radiazione
Diretta
Diretta
Diretta
usata
Punteggio
Adsorbimento
+
Diffusa
2,5
2,5
5
Nota. Per quelli che usano soltanto la radiazione diretta si assegna 2,5 mentre per gli
altri si assegna 5.
9)
Temperature minime raggiunte [°C]
Quelle riportate sono le temperature minime raggiunte (T 1), accompagnate dalle rispettive
temperature di generazione (T2) per i cicli termici. il punteggio è assegnato in base a quanto
più basso è il valore e della temperatura T1 e di T2.
161
Compressione
Assorbimento
Adsorbimento
0÷8
T1=-4, T2=120
T1=-12 T2=122
2
4
5
vapore
valori
[°C]
punteggio
Nota. Per uniformare il confronto con gli altri indici ho moltiplicato il punteggio per due;
Visto che Questo dato non mi è noto per tutte le tecnologie di refrigerazione solare perciò
l’ho preso dalla letteratura. [41]
10) Il funzionamento in condizioni operative sfavorevoli [40]
Il problema degli impianti frigoriferi solari è l‘elevata dipendenza dalle condizioni
climatiche che, a seconda della tecnologia adottata, possono essere più adatte ad un sistema
rispetto ad un altro.
Di
notte
un‘elevata
temperatura
influisce
negativamente
nel
processo
di
adsorbimento/assorbimento del refrigerante, mentre non ha effetti sul (FV).
Invece di giorno una elevata temperatura ha effetti negativi sai sul FV (calo di potenza FV)
e sia sul Condensatotre (smaltire il calore) in tutte le tecnologie.
Compressione
vapore
punteggio
5
Assorbimento
Adsorbimento
3
2
Nota. Per uniformare il confronto con gli altri indici ho moltiplicato il punteggio per due;
Visto che Questo dato non mi è noto per tutte le tecnologie di refrigerazione solare perciò
l’ho preso dalla letteratura. [41]
Da questi 10 indici di confronto prediamo quelli che hanno un maggior peso cioè:
1) STR
2) DIP/sup.panello [Kg ghiaccio/giorno]
162
3)
4)
5)
6)
7)
Volume [m3]
Prezzo [€]
Dipendenza Radiazione
Temperature raggiunte [°C]
Funzionamento in condizioni operative sfavorevoli
Alla fine sommiamo il punteggio di questi ultimi 7 indici otteniamo:
Tab.7.1: Punteggio del 1° confronto.
Compressione
vapore
STR
2
DIP/sup.panello [Kg
3
ghiaccio/giorno]
Volume [m3]
5
Prezzo [€]
4
Dipendenza
2,5
Radiazione
Temperature min.
2
raggiunte [°C]
Funzionamento in
condizioni operative
5
sfavorevoli
Punteggio
23,5
finale
Assorbimento
Adsorbimento
2
3
3
5
1
1
5
3
2,5
5
4
5
3
2
16
28
163
Tab.7.2: Scheda di confronto Ice maker. [39]
Assumendo che i valori ottenuti si possano considerare indicatori d‘idoneità per le
tecnologie in esame si deduce che la ‗Solar Ice maker‘ ad adsorbimento sia la scelta
migliore, lo segue il FV e infine l‘assorbimento.
Autocritica:
1) Il criterio di confronto, non ha dato un certo peso ad alcuni indici (moltiplicandoli
per un certo coefficiente); come nel caso del primo e il secondo indice che
incidono molto…
164
2) Alcuni dati a riguardo del STR del FV dovrebbero essere aggiornati perché
ultimamente l‘efficienza del panello è aumentata e il prezzo diminuito.
3) Gli estremi, l‘inferiore spesso era 0 invece quello superiore ho cercato di mettere il
valore massimo medio raggiunto dalle tecnologie attuali (ma è molto
interpretabile).
4) I dati dinamici (radiazione e temperature), non sono stati rilevati nella stessa zona
ma variano tra (Africa subsahariana e mediterraneo)
Ammetto che il mio confronto sia meno autorevole da quelli citati nella letteratura,
comunque la mia era, una mera ricerca personale che ho voluto affrontarla basandomi sui
dati che avevo a disposizione e che gli ho visti nel mio percorso di tesi, anche se era più
giusto allargare questo confronto in modo più ampio.
7.2. Il secondo confronto
Per questa autocritica ho voluto inserire il punteggio di un secondo confronto [41] che da
per migliore l‘assorbimento solare come migliore.
Questo secondo confronto è basato su 5 indici (Rendimento, Effetto frigorifero specifico,
Temperature min. raggiunte, produzione ghiaccio per giorno/area panello e infine
Funzionamento in condizioni sfavorevoli).
Tabella secondo confronto
Punteggio totale
Compressione vapore
Assorbimento
Adsorbimento
8,5
13,5
11,5
Tab.7.3: Punteggio del 2° confronto.
165
Nota.1. La [41] riferisce a un studio collettivo di sette laboratori europei (Pons et al.) per
ulteriori informazioni guardare la [37]
In questo secondo confronto si evince che la Refrigerazione solare ad assorbimento sia la
scelta migliore, lo segue l‘adsorbimento e infine FV.
Critica del 2° confronto:
Questo confronto non fa distinzione tra assorbitori ad ammoniaca-acqua e acqua-Bromuro
di litio; e come si sa, l‘ammonica ha delle prestazioni alte nel COP e raggiunge temperature
minime bassissime e di conseguenza lo assegna un punteggio maggiore…
Nota.2.
Non ho inserito nel confronto il rumore o vibrazioni, in quanto non ho a disposizione
ancora dati sul livello acustico cagionato da queste macchine anche se l’ago di bilancia
tende verso i sistemi solari termici intermittenti (Adsorbimento, Assorbimento) per
l’assenza di organi meccanici (compressore o pompa di circolazione); pero la destinazione
d’uso lo da poco peso (zone tropicali o desertiche remote).
Nota.3.
Sicuramente lo STR dei refrigeratori FV risulta molto basso dai due confronti (forse basati
su dati non aggiornati); ma sicuramente alla luce degli sviluppi tecnologici del FV
policristallino meriterebbe un STR maggiore a causa del aumento del efficienza del panello
(14-16%)
166
7.3. Il giudizio finale:
alla fine si potrebbe dedurre che quella solare ad adsorbimento occupa nel primo confronto
(il 1° posto) e nel secondo (il 2° posto) e ha delle buone prospettive per il futuro
specialmente per le piccole potenze, e meriterebbe una maggior attenzione sia nella ricerca
sia nella produzione e ha bisogno di poca manutenzione.
In alternativa, sempre per le piccole potenze, ne consiglio l‘applicazione del FV a
compressione di vapore; anche se ci sono organi meccanici ed elettrici quindi è necessità
più di manutenzione.
167
Conclusione.
Il presente lavoro mira a fare un confronto con diverse tecnologie del freddo alimentati dal
sole; si tratta di ‗Ice maker‘ che fanno il ghiaccio che a sua volta funge da accumulo di
freddo.
Queste macchine potrebbero essere alimentate termicamente (panello solare termico che
alimenta una macchina a adsorbimento o assorbimento) o elettricamente (Fotovoltaico che
alimenta una macchina a compressione di vapore)
Il lavoro inizia con un‘introduzione che spiega i vantaggi del solar Ice maker che sono per
la sua autonomia, salute, non tossicità, eco sostenibilità e per fattori socio economici.
Ho trattato all‘inizio sia l‘argomento dei captatori solari termici sai fotovoltaici che
serviranno ad alimentare le macchine, e in seguito sono stati illustrati i cicli termodinamici
delle macchine sopracitate.
Poi abbiamo studiato una macchina ad adsorbimento (metanolo-carbone attivo) alimentato
da un panello solare termico. Partendo dal modello matematico e dei dati fissi e dinamici
(radiazione e temperatura) a nostra disposizione e inserendoli in un software che dava i
risultati della simulazione dinamica; poi è stata trattata l‘analisi parametrica e alla fine il
dimensionamento di tutti i componenti (collettore solare, condensatore, evaporatore…)
La seconda macchina era quella ad assorbimento solare (acqua-Bromuro di litio) sempre
alimentata da panello solare termico. Facendo la stessa procedura di prima modello
studiare il dimensionamento).
Invece per la terza macchina si tratta compressione di vapore (R-600a) alimentato con
panello policristallino e motore DC. Facendo la stessa procedura appena citata.
168
Il confronto finale tra queste tre macchine è stato fatto basandoci su indici di confronto
(quantità ghiaccio al giorno/superfice panello, rendimento, minime temperature
raggiunte…) per stabilirne che quella a adsorbimento sia la migliore.
Il passo successivo è oltrepassare la simulazione dinamica, e progettare dalla A alla Z e
installare le tre macchine nella stessa zona climatica (Africa subsahariana) e studiare
realmente il funzionamento in sito e stabilirne quale macchina sia la migliore nelle stesse
condizioni operative (per un lungo periodo).
169
References
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[14] ―Corso principi e fondamenti della refrigerazione‖ - S.Tordini.
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[16] ―Optimization of a solar-powered adsorptive ice-maker by a mathematical method‖ Freni, Maggio, Vasta, Santori, Polonara e Restuccia.
[17] ―An adsorbtive Ice maker Dynamic simulation for north mediterranean climate‖ Vasta, Maggio, Santori, Freni, Polonara e Restucca.
170
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J. Bougard – Applied thermal engineering 24 (2004) 2537-2555.
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adsorptive solar icemaker - A. Leite, M. Grilo, F. Belo, R. Andrade - Renewable Energy 29
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