INVESTIGAZIONE SPERIMENTALE DI UN DISPOSITIVO DI RAFFRESCAMENTO PASSIVO = EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF A PASSIVE COOLING DEVICE

Le proiezioni di crescita della domanda di energia globale per la refrigerazione di edifici evidenziano la necessità di ricercare sistemi di raffrescamento innovativi che siano quanto più efficienti e non dannosi per l’ambiente. La maggior parte dei sistemi di condizionamento attualmente in operazione utilizza fluidi refrigeranti contribuenti alla riduzione dello strato di ozono e/o aventi alto GWP (potenziale di riscaldamento globale). Negli ultimi anni, queste problematiche stanno assumendo sempre più importanza. In quest’ottica, i sistemi di raffrescamento passivi possono offrire soluzioni altamente efficienti e di semplice realizzabilità, e di conseguenza ridurre l’impatto ambientale che hanno i classici sistemi di condizionamento. Il dispositivo analizzato in questo lavoro è una pompa di calore passiva, ovvero senza parti meccaniche in movimento, in grado di generare un flusso di calore sfruttando una differenza di potenziale chimico tra due soluzioni a diverso indice di salinità. Il dispositivo di raffrescamento è modulare, ovvero è composto da diversi stadi identici, e sfrutta il processo di distillazione a membrana per creare processi di condensazione ed evaporazione in cascata. Nella prima parte di questo lavoro vengono introdotti i concetti teorici coinvolti nella distillazione a membrana ed i principali metodi utilizzati per stimare il flusso di massa e di calore attraverso ogni stadio del prototipo. Successivamente viene descritta la procedura e la strumentazione utilizzata per effettuare le prove sperimentali nelle due condizioni estreme di funzionamento: massima estrazione di potenza e gradiente termico nullo a cavallo del dispositivo; massimo salto termico raggiungibile dal prototipo nella condizione di potenza nulla. Data l’impossibilità di provvedere un isolamento ideale all’ambiente di estrazione, il software COMSOL è stato utilizzato per stimare, in condizioni stazionarie, il flusso termico assorbito dal dispositivo nei test a potenza minima. Infine, viene descritto un modello monodimensionale capace di predire la potenza ed il consumo del dispositivo al variare delle sue condizioni di funzionamento: il numero di stadi che lo compongono, la concentrazione delle due soluzioni utilizzate, le condizioni ambientali ed i principali parametri geometrici. L’obiettivo della tesi è identificare una corretta metodologia per determinare sperimentalmente la caratteristica di funzionamento di un prototipo realizzato in scala di laboratorio e validarla osservando il funzionamento del dispositivo accoppiato con un potenziale utilizzatore termico. È stato verificato che i valori predetti dal modello teorico seguono entro i limiti d’errore, quelli sperimentali, quindi è stato possibile utilizzarlo per investigare i parametri di funzionamento più salienti di questa tecnologia e fornire valide indicazioni per il design ottimale di un dispositivo in scala maggiore. Infine, il modello numerico è stato utilizzato per esplorare diverse possibili condizioni operative del dispositivo per identificare una configurazione ottimale che garantisca il giusto compromesso fra consumo e potenza estratta. Tra le caratteristiche più interessanti, è stata investigata la possibilità di modulare la potenza di raffrescamento richiesta dall’utenza ed è stato verificato che una temperatura ambientale maggiore migliori sensibilmente le prestazioni del dispositivo, rendendolo particolarmente adatto all’utilizzo in Paesi caratterizzati da climi particolarmente caldi e scarsità di risorse energetiche.