Studio di un sistema ibrido per la rimozione dell’umidità dall’aria tramite materiali adsorbenti ed alimentato da pompa di calore: sviluppo del digital twin e della sua logica di controllo in ambiente simulink = Study of a hybrid system for humidity removal from air using adsorbent materials and powered by a heat pump: development of the digital twin and its control logic in the Simulink environment.

Il principale obiettivo di questa tesi è la definizione ed implementazione di una logica di controllo autonoma per la gestione di un prototipo ibrido progettato per la rimozione dell’umidità negli impianti di ventilazione. La logica di controllo è stata testata utilizzando l’approccio tipico del model based design rappresentando il funzionamento del prototipo in ambiente di sviluppo Simulink. La fase iniziale del lavoro ha richiesto un'analisi approfondita del prototipo esistente, al fine di comprenderne il funzionamento e identificarne gli aspetti chiave. Il sistema in questione utilizza le proprietà intrinseche di determinati polimeri adsorbenti, come la silica-gel, al fine di assorbire l'umidità presente nell'aria e successivamente rilasciarla attraverso un processo termico necessario alla rigenerazione del materiale. Sulla base di tali fenomeni, sono state realizzate due batterie di polimeri disposte in parallelo, corrispondenti a due scambiatori di calore rivestiti dal materiale adsorbente. Alternando il loro funzionamento tra le fasi di adsorbimento e rigenerazione, è possibile far funzionare il sistema in modo continuo, garantendo il raggiungimento del livello di comfort desiderato. L’impianto è dotato di un sistema per la commutazione delle batterie e di una pompa di calore appositamente dimensionata. Questa pompa di calore svolge il compito di fornire il calore necessario per sostenere i cicli termici richiesti dal prototipo. Successivamente è stato creato un modello Simulink che rappresenta fedelmente il comportamento del prototipo. Per la definizione del modello si è adottato un approccio basato sull’implementazione numerica delle equazioni che descrivono i fenomeni fisici del sistema. Le equazioni descrivono i fenomeni di scambio termico e di massa presenti nel sistema e riguardano nello specifico: il bilancio di umidità dell’aria, il bilancio di temperatura dell’aria, il trasferimento di massa (vapore acqueo) fra aria e materiale adsorbente, il bilancio di contenuto d’acqua superficiale nel letto adsorbente e il bilancio termico del sistema acqua-banco di alette. L’algoritmo risolutivo è stato usato per condurre una analisi di sensibilità al fine di valutare le prestazioni del sistema in diverse condizioni ambientali. Sono inoltre state eseguite analisi parametriche per esaminare le dipendenze del sistema dalla geometria e dalle diverse condizioni di utilizzo. Conseguentemente alla realizzazione del modello Simulink, è stata progettata ed implementata una logica di controllo per gestire il funzionamento autonomo del sistema. L'algoritmo è stato sviluppato utilizzando l'ambiente Stateflow di Simulink. Infine, sono stati eseguiti dei test per verificare l'efficacia e convalidare il funzionamento. In conclusione, il lavoro di tesi ha permesso di realizzare un ambiente di sviluppo digitale per il testing di logiche di controllo dipendenti dalle condizioni ambientali esterne verificandone l’efficacia attraverso simulazioni in ambiente ideale portando a risultati coerenti con gli obiettivi attesi. Le analisi parametriche hanno fornito invece importanti informazioni sulle dipendenze del sistema e hanno contribuito a identificare possibili percorsi di ottimizzazione.