La produzione dell’acido acetico ha inizio dai dieci ai quindici secondi dopo l’assorbimento di energia del pannello, rappresentato dallo sviluppo della curva dell’HRR (per tale motivo, con valore negativo nella prima fase del processo). Il grafico di Figura 5.2 mostra che si raggiunge una portata di circa 30 mg/s di gas prodotto dopo un minuto di simulazione.
Conoscendo il PCI dell’acido acetico pari a circa 14.5 M J/kg, la combustione della portata prodotta produrrebbe un rilascio energetico pari a 435 W .
Figura 5.2: Portata di acido acetico prodotta
Figura 5.3: Temperatura della superficie del pannello campionata lungo l’asse orizzontale, a metà della sua altezza
La superficie del pannello lontana dal bruciatore e dalla fiamma rimane per tutta la durata della simulazione alla temperatura iniziale di circa 298 K, quindi si sviluppa un ∆T > 300K durante la simulazione tra il lato destro e sinistro del modulo (Figura 5.3). In appendice A si può osservare l’evoluzione nel tempo del campo di temperatura superficiale del pannello, in cui si nota che la porzione interessata è sempre limitata alla zona prossima al burner e alla fiamma. In questa regione il pannello innalza la propria temperatura di 60 K dopo 50 s, questo gradiente è simile a quello che si può riscontrare tra la superficie esterna e quella esposta alla fiamma del pannello, causa quindi di dilatazioni volumetriche del vetro e della formazioni di tensioni di natura termica al suo interno che, cosa evidenziata anche a livello sperimentale con tempistiche simili, provoca la rottura del vetro del modulo. Infine si riporta l’andamento dell’HRR ottenuto dalle simulazioni paragonato con quel- lo che si otterrebbe se l’acido acetico prodotto bruciasse istantaneamente e stechiometri- camente, rilasciando energia. La curva dell’energia assorbita continua a diminuire con andamento praticamente lineare e costante, anche perché il calore disponibile è solo quel- lo rilasciato dalla combustione del propano, che è stazionario. Anche solo considerando quest’unico prodotto dell’unica reazione modellata (quella di deacetilizzazione), si ottiene un andamento che segue il trend della curva sperimentale, senza ottenere gli stessi valori
Figura 5.4: Andamento dell’HRR con e senza la combustione del CH3COOH
numerici per le motivazioni sopraesposte. La differenza tra le due curve è pari all’energia rilasciata dall’ipotetica combustione dell’acido acetico, che quindi continua ad aumentare. Dopo circa 30 s che è iniziata la produzione del gas la curva di rilascio energetico assume valore positivo e poi continua a crescere. Per la costruzione di tale curva si è assunta l’ipotesi che non ci siano incombusti, ritenuta valida perché l’andamento del CH3COOH
Capitolo 6
Conclusioni e sviluppi futuri
Il lavoro svolto e descritto nella presente tesi, che ha avuto come oggetto d’indagine il tema della reazione al fuoco di pannelli solari fotovoltaici, ha permesso di approfondire, attraverso la sperimentazione e l’applicazione di un modello CFD, alcuni aspetti principali della fenomenologia del problema, di individuare e approfondire criticità e, soprattutto in riferimento all’attività di modellazione, le opportunità di sviluppo. Sulla base dell’attuale quadro tecnico-normativo, il protocollo di prova SBI applicato al pannello, non ha consenti- to un’analisi dei parametri di classificazione, le cui criticità di valutazione hanno riguardato principalmente l’impiego del pannello in posizione verticale e la rottura del vetro, con con- seguente distruzione del prodotto. Anche per tale motivo la mia analisi del test SBI non ha permesso di ottenere dei risultati esaustivi nella descrizione del fenomeno, tuttavia ha dato modo di saggiare le potenzialità del seppur semplificato modello numerico, permet- tendo un confronto sulla curva di rilascio di potenza del pannello, dato che le condizioni al contorno ed iniziali sono note e ben definite. Lo studio della costituzione del pannello ha indicato l’EVA (Etilene Vinil Acetato) come componente critico principale. Questo poli- mero, se soggetto ad attacco termico, pirolizza, producendo i gas combustibili responsabili del rilascio di potenza termica registrato nella prova sperimentale. Si è proceduto allo studio del problema trascurando l’influenza degli altri componenti, concentrandosi sempre sul processo ritenuto più importante, ovvero la reazione di deacetilizzazione dell’EVA, con la conseguente formazione di acido acetico.
I dati delle proprietà termo-fisiche del materiale sono stati ottenuti da letteratura, mentre le proprietà ottiche sono state determinate tramite spettrometria FT-IR. La mo- dellazione termofluidodinamica dell’apparato di prova si è concentrata sulla riproduzione del campo di moto presente, sulla combustione del gas propano uscente dal bruciatore, che costituisce l’attacco termico del pannello, sui meccanismi di scambio termico, con particolare attenzione all’irraggiamento, e sulla reazione di pirolisi dell’EVA. Questa mo- dellazione è stata eseguita nell’ottica di verificare le potenzialità dell’applicazione fireFoam di OpenFoam per la simulazione dello scenario del test.
Al fine di assicurare una soddisfacente accuratezza dei risultati delle simulazioni nume- riche, si è effettuata una indagine di sensitività sulle quattro mesh generate. Tale indagine, applicata alle griglie adattate, che differiscono per successivi raffinamenti, ha permesso, in base all’osservazione delle principali grandezze (velocità e temperatura), di dimostrare una soddisfacente convergenza fisico-numerica del modello, nonché di individuare la mesh ottimale. Tuttavia, nel procedere delle simulazioni, per limiti dovuti ai tempi di calcolo eccessivi per le risorse computazionali a disposizione, si è scelto di operare con le due griglie più lasche, in considerazione del fatto che i risultati si differenziano in modo contenuto, ri- spetto all’incertezza complessiva e si è verificato che la potenza generata dalla combustione
dell’attacco termico sia ben riprodotta.
Per verificare il campo di moto simulato, poiché il dominio computazionale ha riguar- dato solo una porzione della camera di prova, si è condotta una campagna di misure ane- mometriche in vari punti della sezione d’ingresso della cappa, in assenza della combustione. Il modello di combustione diffusiva turbolenta del propano utilizzato per la generazione della fiamma costituente l’attacco termico, oltre ad essere sufficientemente validato in let- teratura per questo genere di bruciatore, nonostante possa essere caratterizzato da una sovrastima delle temperature massime, non ha comportato particolari criticità. Queste invece si sono verificate nel calcolo della potenza trasmessa per irraggiamento, di fonda- mentale importanza per la determinazione del calore assorbito dal pannello che sostiene il processo di degrado termico, e nella caratterizzazione della reazione di pirolisi. Per quanto riguarda l’irraggiamento si è eseguita una analisi sul modello fv-DOM, dispendioso a livello computazionale in quanto accurato, al fine di trovare i parametri di ottimo, relativamente al numero minimo di direzioni da considerare per la propagazione dell’irradianza.
Il modello di pirolisi che è stato applicato non ha permesso l’esaustiva caratterizzazione del processo da un punto di vista chimico rispetto allo stato dell’arte delle conoscenze in materia, ma solo sulla reazione principale di deacetilizzazione dell’EVA, per la quale si sono stimate le entalpie di formazione standard dei materiali solidi considerati e valutati diversi parametri cinetici ottenuti da letteratura, permettendo di ottenere un primo tentativo di validazione.
Sebbene i risultati numerici non possono essere confrontati con quelli sperimentali per ottenere una completa caratterizzazione del campo di moto, di temperatura, dei prodotti di pirolisi e altre grandezze utili per validare compiutamente il modello, la discrepanza tra i risultati numerici e sperimentali è principalmente dovuta, in base agli studi condotti, alla semplificazione della chimica di reazione, che considera un unico prodotto di pirolisi (oltre al residuo solido), ovvero l’acido acetico. Questa ipotesi comporta una ridotta energia assorbita dal materiale e conseguentemente una minor produzione energetica in seguito alla combustione dei gas volatili che si formano.
Per poter ottenere una più accurata rappresentazione si dovrà procedere anche con una riformulazione di alcuni sotto-modelli del codice di calcolo impiegato. In particolare, riguardo al modello fluidodinamico, sarebbe utile aggiungere i termini sorgente delle specie prodotte dall’omolisi così da poterne trattare il trasporto, nonché l’eventuale combustione, al fine di mettere a punto un modello di propagazione. Per una miglior descrizione del fe- nomeno si dovrebbero considerare anche altri prodotti oltre quello considerato, tra i quali i più importanti sono il monossido di carbonio e l’etilene, oppure la creazione di un modello che riassuma gli effetti chimici dei vari prodotti tramite un’unica reazione globale equiva- lente. Inoltre si potrebbe adottare un modello di combustione più dettagliato che prevede due-tre step intermedi. Diversamente, si ritiene appropriato il modello di irraggiamento adottato che, considerata la sempre maggior disponibilità di risorse di calcolo, permetterà analisi molto accurate.
In conclusione i risultati ottenuti mostrano come sia possibile rappresentare il fenomeno di reazione al fuoco di un pannello solare fotovoltaico attraverso le simulazioni numeriche. L’importanza delle suddette simulazioni risiede nella capacità di supportare i dati speri- mentali nel formulare indagini previsionali su configurazioni alternative, riducendo i costi della sperimentazione. I test sono stati condotti nel FireLab del Dipartimento dell’Ener- gia, in collaborazione con R.S.E. S.P.A., potranno essere utilizzati sia con la finalità di migliorare il protocollo di prova, sia le caratteristiche del prodotto, che necessariamente terranno sempre più in considerazione parametri riguardanti la sicurezza antincendio, a causa dell’accresciuta sensibilità su questa problematica.
Appendice A
A.1
Dettagli delle mesh realizzate
Per un maggior dettaglio descrittivo si riportano le immagini delle griglie eseguite sul bruciatore A.1 e sul pannello A.2. Per realizzare quella del burner, si è scelto di far collassare le celle centrali, in quanto la superficie presa in considerazione è triangolare e deve essere suddivisa da superfici quadrangolari. Sul pannello si può osservare il grading eseguito in fase di creazione della mesh: le celle in prossimità dello spigolo in basso a destra sono le più piccole, sullo spigolo opposto sono presenti invece le celle più grandi.