Accumulo e Trasporto di Energia

PROFILI TERMICI NOTEVOLI

1 - Modello Lineare

2 - Modello a gradini

3 - temperatura lineare a zone

MODELLI A 3 ZONE Modello a 3 zone

semplificato: Tutta la

variazione di temperatura

è imputata alla regione di

termoclino

È possibile definire il rapporto exergetico, figura di merito dei serbatoi con stratificazione ed è

definito dal rapporto dell'exergia con stratificazione su exergia di un serbatoio perfettamente

miscelato. Quindi il rapporto al limite è uguale a 1. Più è maggiore di 1 migliore sarà la

stratificazione e quindi migliore la figura di merito.

La crescita del rapporto exergetico è più marcata quanto più i deltaT si effettuano vicino allo stato

morto. Ovviamente l'exergia è tanto più grande quanto più ci si allontana dallo stato morto. Ma la

variazione di questo rapporto exergetico è maggiormente percettibile quanto più si è vicini allo stato

morto.

Per massimizzare il contenuto exergetico dell'accumulo si devono garantire piccoli spessori di

termoclino. Tanto più è brusca la variazione di temperatura all'interno del termoclino, tanto più il

serbatoio è in grado di conservare l'exergia.

Il contenuto exergetico dell'accumulo può essere incrementato:

1. Aumentando la Tm (dimenticandosi della stratificazione).

2. Variando il deltaT di termoclino

3. Assicurando piccoli spessori di termoclino (incrementando la pendenza della variazione di

temperatura) Stiamo molto vicini alla T di stato morto quindi

l'exergia è ovviamente molto più piccola

dell'energia.

Dal punto di vista termodinamico si vuole infatti massimizzare l'exergia e non l'energia negli

accumuli termici sensibili.

Se l'accumulo è finalizzato ad una produzione di energia meccanica ha senso massimizzare

l'exergia per poter essere riutilizzato.

Accumulo termico in falda (ATES)

L'idea è di avere dei pozzi di iniezione dell'acqua e pozzi di estrazioni, scambiatore di calore che

interagisce con l'edificio e può essere usato sia in riscaldamento che raffrescamento.

Es ambito civile:

La pompa di calore al cui evaporatore è connesso uno scambiatore termico sotterrato

Pompa di calore con sonda geotermica quindi il terreno è utilizzato come un serbatoio di accumulo

di calore. È prevista una serpentina per estrarre calore a bassa temperatura.

Due configurazioni: a bassa profondità o alta profondità.

Stagno solare

Tecnologia sviluppata negli anni 60 in Israele.

Lo stagno solare è una soluzione che combina il raccoglitore di energia solare e l'accumulo.

L'idea è di avere una pozza di acqua salata, estensioni molto grandi di acqua salata, esposta ai

raggi solari. Quindi la pozza viene riempita di sale. Se le concentrazioni di sale sono troppo alte,

quindi prossime alla saturazione, il sale tenderà a stratificare perché le concentrazioni di sale a

maggiore salinità saranno depositate sul fondo. Via via salendo in superficie della pozza avremo

una concentrazione di sale sempre minore.

Si può suddividere l'altezza dello stagno in 3 parti e immaginare il modello a 3 zone applicato per la

salinità. di accumulo, non convective zone,

Si avrà una zona inferiore detta una zona intermedia detta e

una zona superiore.

L'idea è di catturare l'energia solare e realizzare in qualche modo una trappola per l'en solare.

Se non fosse così, quindi senza sale, i raggi del sole attraversano l'acqua, battono sul fondo, sono

assorbiti, scaldano il fondo, l'acqua si scalda, si ha moto convettivo e il calore viene portato in

superficie e il calore si disperde.

In acqua salata invece il gradiente di salinità si oppone al gradiente termico.

Il gradiente di salinità che è un gradiente gravitazionale vuole far rimanere sul fondo le zone calde

che sono anche quelle più dense perché ricche di sale.

L'acqua, parte mobile, non va in convezione perché il sale la trattiene.

La maggior parte della en. solare attraversa l'acqua che è trasparente, nel visibile, raggiunge il

fondo ed è assorbita perché il fondo è nero e viene riemesso in emissione radiativa nell'infrarosso,

l'acqua è opaca all'infrarosso.

meccanismo dell'infrarosso meccanismo convettivo

Il é bloccato dall'acqua; il è bloccato dalla

salinità quindi il calore sul fondo non può più salire; e l'acqua ha bassa conducibilità termica quindi

meccanismo conduttivo.

blocca il

È una soluzione adatta per grosse quantità di energia ed adatto per accumulo stagionale. È tutto

sommato una tecnologia molto economica ammesso di avere disponibilità di terreno e accesso ad

acqua e sale a basso costo. La zona superiore ha il compito di reintegrare la quota parte di

acqua che evapora per mantenere una massa costante nello

stagno serve quindi un reintegro, e serve a mantenere il più

possibile trasparente, quindi avere il più alto possibile il

coefficiente di trasmissione ottica dell'acqua per permettere ai

raggi di entrare nello stagno.

Uno stagno solare ha una efficienza ciclica attorno al 30%.

Problemi:

1. Si bloccano le dispersioni verso l'ambiente ma restano le dispersioni nel terreno ovviamente.

2. C'è il problema dell'ombreggiamento medio dello stagno che riguarda la zona di accumulo; in

media una porzione della superficie è in ombra a causa dell'altezza delle pareti.

Per l'accumulo a bassa temperatura si può avere circa una variazione di salinità del 20%.

Lo spessore dello strato intermedio ci da la resistenza alla conduzione verso l'ambiente esterno (è

la zona più spessa dove si ha la variazione di salinità maggiore.

ACCUMULO DI CALORE LATENTE

Si ha accumulo latente quando si fa variare la fase mantenendo costante la temperatura.

Si riesce ad accumulare una quantità doppia rispetto gli accumuli sensibili. Quindi si guadagna un

fattore 2 sulla densità di energia.

Il tipico passaggio di fase che considereremo è quello solido-liquido perché ad esso è associato il

minimo valore di variazione di volume specifico della sostanza.

Il sale di Glauber fonde a 32 gradi centigradi quindi può essere usato a bassa temperatura. Ha un

calore latente L pari a circa 251 KJ/kg. Facendo dei calcoli si arriva ad ottenere circa 59 kwh/m^3

considerando un deltaT di 50 gradi. Quindi il fattore 2 rispetto all'accumulo sensibile è verificato.

Pcm:

Si possono utilizzare materiali organici, inorganici o miscele eutettiche dei due materiali.

• Organici: possono essere paraffine (cere di sintesi), non paraffine (acidi grassi).

• Inorganici: possono essere sali fusi idrati (sali di Glauber), oppure metalli che sfruttano il

passaggio di fase da liquido a solido utilizzandoli però ad alta temperatura.

• Eutettici: miscele che realizzano combinazioni di organici e inorganici.

L'accumulo latente presenta alcuni problemi che stanno per essere risolti:

Supercooling

1. (sottoraffreddamento): Si raggiunge il punto di congelamento o fusione

ma la sostanza invece di passare di fase, essa

sottoraffredda, quindi si mantiene ad una

temperatura inferiore a quella di fusione

mantenendosi liquida. Questo perché il

fenomeno del sottoraffreddamento è un

fenomeno cinetico che dipende dalla velocità

con il quale si effettua il raffreddamento.

Quindi il problema e il controllo del

raffreddamento.

Segregazione:

2. si parte da un sale di una certa tipologia, nei processi di carica e scarica del

materiale, esso si degrada e non si riesce più a ritornare alla stessa composizione chimica del

materiale. Le caratteristiche del materiale degradano nel tempo.

Questo può compromettere il numero di cicli possibili che può compiere il materiale.

Infiammabilità e corrosione:

3. molti materiali sono organici quindi molti sono infiammabili quindi

una delle caratteristiche è il HRR che ci da la velocità di combustione (si introducono ritardanti).

La corrosione deve essere tenuta in conto tramite materiali dei contenitori adeguati.

Sali idrati

Alcuni sali cristallizzando possono legarsi all'acqua.

I punti di fusione di questi sali può variare in un range da 0 a 120 gradi quindi sono adatti alla bassa

temperatura.

Paraffine

Sono alcani a catena lineare

Al variare della temperatura di fusione si ha una funzione stretta alla lunghezza della catena quindi

aumentando n si aumenta la temperatura di fusione. Questo vuol dire che la temperatura di fusione

può essere progettata e scelta tramite la molecola della paraffina scelta.

Acidi grassi

Sostanze non tossiche, si trovano anche negli alimenti.

Esempio il burro, a bassa temperatura realizza un passaggio di fase.

Miscela eutettica acqua e sale abbassare il punto di

Banalmente la miscela di è eutettica perché ha il vantaggio di

fusione rispetto ai componenti della miscela.

Corso di Laurea Magistrale

in

Accumulo e Trasporto di Energia

Prof. Eliodoro Chiavazzo

Appunti di

Fabio Galizia

Lezione 12

Requisiti PCM, scelta temperatura di fusione.

Requisiti termodinamici dei PCM

Si possono distinguere in requisiti termodinamici e cinetici.

Termodinamici:

• Punto di fusione alla temperatura di funzionamento dettata dall'applicazione di interesse. I

materiali PCM che sono miscele eutettiche hanno temperatura di congelamento e quindi

passaggio di fase non fissa perché hanno un range a seconda della miscela, quindi è auspicabile

che questo range del punto di variazione non sia troppo ampio.

• Alto calore specifico, per poterli utilizzare anche per una quota sensibile e non solo latente, quindi

migliorare le prestazioni.

• Conducibilità termica la più alta possibile così da poter caricare e scaricare l'energia in maniera

rapida; infatti se la conducibilità termica è bassa questo compromette la potenza specifica, cioè

non poter caricare e scaricare in modo rapido.

• Fusione congruente per non generare sali chimicamente diversi.

• Piccole variazioni di densità nel passaggio di fase

Cinetici:

Sub cooling: assenza o moderato sub cooling. L'aggiunta di cere nei PCM che fungono da centri di

nucleazione nel momento in cui si cerca di far nucleare il materiale (modo passivo). Si possono

usare anche gli ultrasuoni per favorire il trasporto all'interno del materiale, si creano delle cavitazioni

nel materiale che esse stesse agiscono da agente di nucleazione che crescono e vengono

frantumate dagli ultrasuoni stessi, si ha quindi una reazione