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Il recupero e la valorizzazione del calore di scarto a bassa entalpia di svariati processi industriali è una tematica che sta diventando sempre più rilevante. In letteratura sono presenti moltissimi articoli dedicati allo studio di svariate tecnologie che possono essere usate con questo scopo e una tra tutte è quella delle pompe di calore. Tra queste, la configurazione che utilizza un letto di materiale adsorbente che può generare vapore a media entalpia e che può essere rigenerato usando il calore di scarto sta riscuotendo sempre più successo negli ultimi anni.
Il lavoro svolto in questo dottorato si è concentrato sulla simulazione con modelli a complessità crescenti e sulla successiva progettazione di una tipologia innovativa di pompa di calore ad adsorbimento con contatto diretto tra letto adsorbente (zeolite 13X) e materiale adsorbito (acqua).
L’impianto è stato progettato con una dimensione del reattore cento volte più grande rispetto a quella dell’unico prototipo presente in letteratura e ciò ha fatto emergere alcuni problemi di distribuzione dell’adsorbato dentro al reattore durante la fase di generazione del vapore. In particolare, il gradiente termico lungo la coordinata assiale (altezza del reattore) che si viene a formare a causa della bassa conducibilità termica della zeolite limita notevolmente le prestazioni dell’impianto. I modelli hanno infatti mostrato che per riuscire a far partecipare tutto il letto adsorbente allo scambio di calore e al processo di adsorbimento risulta necessario allagare completamente il reattore in maniera tale da mettere fisicamente in contatto la coppia adsorbente-adsorbato. D’altro canto, l’allagamento comporta una riduzione della produzione di vapore oraria dal momento che tutta l’acqua liquida che rimane intrappolata dentro al reattore alla fine della fase di generazione deve essere scaricata e se non viene recuperata rappresenta una perdita termica. Idealmente si vorrebbe realizzare un processo in cui tutta l’acqua liquida in ingresso al reattore viene convertita in vapore da mandare all’utilizzatore finale. Per questo motivo è stata presentata una configurazione innovativa dell’impianto in cui l’acqua liquida entra dall’alto del reattore invece che dal basso; ciò ha permesso di aumentare notevolmente la superficie di contatto tra l’acqua e la zeolite riducendo drasticamente il gradiente di temperatura e di adsorbimento assiale.
I risultati numerici hanno mostrato che l’adozione di un flusso discendente di acqua permette di aumentare anche del 100% la produzione oraria di vapore rispetto al caso di flusso ascendente.
Ciò è stato tenuto in considerazione in fase di progetto dell’impianto sperimentale e per massimizzare la superficie di scambio e ridurre i gradienti radiali e tangenziali è stato adottato uno spruzzatore sprinkler. L’idea è quella di realizzare esperimenti che permettano di confermare i risultati ottenuti in via numerica e per questo è stato progettato l’impianto in maniera tale da far variare le portate e le temperature in ingresso dell’aria e dell’acqua sia nel caso con flusso ascendente che discendente. La conclusione è che questa tipologia di impianti dovranno adottare sempre un flusso discendente per massimizzare la produzione di vapore. Ciò vale anche nel caso in cui si decidesse di far funzionare due reattori in parallelo: questa ipotesi è stata investigata proprio per poter studiare l’effetto benefico dell’utilizzo dell’acqua di scarto di un reattore come fluido di ingresso nel secondo reattore. I risultati hanno mostrato che l’utilizzo di due reattori in parallelo permette di aumentare sempre le prestazioni dell’impianto (fino al 100% in più), ma a costo di una maggiore complessità impiantistica e di una notevole difficoltà nel riuscire a sincronizzare le fasi dei due reattori. È emerso infatti che anche se risulta possibile sincronizzare la fase di generazione di un reattore con quella di rigenerazione del secondo reattore (con durate indicativamente di mezz’ora per fase), nella pratica le fasi hanno durate differenti per la maggior parte dei valori adottati in termini di temperatura e pressione in ingresso di acqua ed aria. Di conseguenza, oltre all’adozione di due reattori, risulta necessario installare anche un serbatoio di accumulo dell’acqua calda per compensare lo sfasamento delle due fasi.
In definitiva, i risultati, validati con i dati sperimentali presenti in letteratura, hanno fornito tutti gli elementi per poter realizzare la progettazione dell’impianto e per poter concludere che questa tipologia di impianti può essere utilizzata con successo per recuperare e valorizzare il calore di scarto industriale.
In aggiunta, sono state eseguita delle ulteriori analisi per verificare la possibilità di adottare questa tecnologia con finalità diverse da quella principale: compressione di vapore e produzione di energia elettrica. Entrambe le analisi sono state eseguite da un punto di vista numerico e hanno fornito degli spunti interessanti; per quanto riguarda la compressione di vapore va osservato che si tratta di un lavoro che ha fornito il primo articolo scientifico pubblicato in letteratura riguardo ad un reattore ad adsorbimento diretto che viene usato con questa finalità. Sebbene la compressione reale non fornisca valori del rapporto di compressione molto elevati (1.2-1.3 a seconda della pressione iniziale del vapore), va tuttavia osservato che per molte applicazioni industriali caratterizzate da vapore di scarto a bassa pressione e quindi non sfruttabile il processo potrebbe essere valido. Per quanto riguarda la produzione di energia elettrica è stato considerato un ciclo Rankine ORC posizionato a valle del reattore per sfruttare l’entalpia del reattore. La configurazione dell’impianto è stata analizzata tenendo in considerazione l’utilizzo di una o due turbine in parallelo in modo da poter sfruttare al massimo la variazione di portata generata dal reattore a zeolite così da limitare la perdita di rendimento della turbina stessa. Il risultato ha mostrato che l’accoppiamento di due turbine in parallelo permette di massimizzare la produzione di vapore, anche se, come avveniva in maniera analoga per il caso in cui venivano adottati due reattori in parallelo, questa configurazione risulta essere più complicata e quindi più costosa.
La progettazione dell’impianto verrà utilizzata per la successiva costruzione dello stesso e per realizzare una campagna sperimentale volta a confermare ed allargare ulteriormente la conoscenza appresa dalle simulazioni numeriche.
La realizzazione dell’impianto dovrà servire per avere un’idea più concreta di quali sono i costi di costruzione di questa struttura, rimanendo comunque consapevoli che si tratta di un impianto sperimentale e che la successiva applicazione su scala industriale dovrebbe ridurre il costo specifico (€/kW) facilitando la costruzione di un reattore che ha dimensioni maggiori, riducendo il numero di strumenti richiesti per la misurazione dei parametri. Di fatto, l’attuale impianto deve riprodurre l’aria calda necessaria per la rigenerazione del letto e l’acqua per la generazione del vapore, quando invece un impianto industriale avrebbe già a disposizione questi due fluidi con la relativa apparecchiatura e sperimentazione. Inoltre, la realizzazione di un reattore di dimensioni maggiori potrebbe essere più semplice anche da un punto di vista tecnologico adottando processi come la calandratura di una lamiera; nel nostro caso invece (date le ridotte dimensioni del fasciame) il reattore è stato ottenuto andando a tagliare una piccola parte di un tubo molto più lungo e ciò rappresenta ovviamente uno spreco e un costo rilevante.
In ogni caso, la campagna sperimentale dovrà fornire degli elementi anche per poter eseguire una prima analisi economica dell’impianto applicato ad un processo industriale per poter garantire la possibilità di poter passare alla fase successiva dello sviluppo di questa tecnologia.