Analisi sperimentale e simulazione numerica del controllo in closed-loop dello scambio termico di un coating polimerico adsorbente per la cattura del vapore acqueo atmosferico

Il principale oggetto di studio è stato un coating polimerico, con spiccate capacità adsorbenti e igroscopiche. Nello specifico sono state condotte analisi sperimentali e teoriche per la definizione di un modello di controllo della capacità di catturare e rilasciare attraverso la superficie del coating polimerico, un elevato numero di particelle d’acqua sotto forma di vapore o umidità. Attraverso un ciclo termodinamico si è poi in grado di riscaldare il polimero e liberare l’acqua catturata: infatti, all’aumento della temperatura si riduce la quantità d’acqua in grado di essere contenuta dal polimero che viene quindi espulsa sotto forma di vapore; tale processo, successivo a quello di adsorbimento, è chiamato rigenerazione. Ci si è concentrati su un sistema miniaturizzato, costituito da un cilindro cavo con alettatura distribuita radialmente, detta scaffold, realizzato mediante stampa 3D; un resistore elettrico posto all’interno dello scaffold; uno strato di biopolimero posto come rivestimento dello scaffold, detto coating. Durante l’esperienza di tesi sono stati raccolti e analizzati i dati della fase di riscaldamento prima del solo resistore ceramico, poi dello stesso rivestito da un cilindro cavo sottile di alluminio per uniformare la temperatura sull’intera superficie del resistore e infine dell’intero sistema. L’alimentazione è stata fornita in duty cycle dalla tensione di rete. Sono state poi effettuate delle simulazioni numeriche mediante l’uso di MATLAB e un suo apposito tool in grado di risolvere le PDE (Partial Differential Equations). Per fare ciò è stato necessario conoscere le proprietà dei materiali coinvolti; per questo motivo è stata effettuata parallelamente una campagna di test per determinare la densità del biopolimero adsorbente. Infine, è stato progettato e simulato numericamente il sistema di controllo closed-loop per il sistema della stella miniaturizzata. Per fare ciò, sono state definite funzioni nel dominio del tempo interpolanti le soluzioni numeriche restituite dal PDETool di MATLAB; sono state poi effettuate le trasformate di Laplace di tali funzioni, in modo da progettare il sistema di controllo mediante l’approccio della robust stability. L’esperienza di tesi è stata svolta presso Aquaseek S.r.l., una società che ha come scopo la produzione di acqua distillata dall’umidità, ovvero dal vapore acqueo contenuto nell’atmosfera. La società è depositaria dei brevetti di produzione del biopolimero adsorbente e del ciclo termodinamico in grado di far avvenire il fenomeno di rigenerazione.