Scambio termico mediante superfici interne

La soluzione più efficiente per incrementare il valore della potenza scam-biata è quella di utilizzare superfici di scambio termico interne. Questa tipologia di sistemi di accumulo, nei quali lo scambio termico avviene me-diante superfici disposte all’interno del contenimento, è infatti in grado di trasferire il calore dalla sorgente termica al mezzo materiale, e viceversa, in modo molto rapido. La disposizione più omogenea delle superfici di scambio

termico rispetto al mezzo materiale permette infatti di ridurre, anche no-tevolmente, i valori di resistenza termica. Inoltre, le superfici interne sono solitamente equipaggiate con alettature, le quali consentono di incrementare la superficie di contatto con il PCM e di ridurre ulteriormente la lunghezza di penetrazione del fronte di scioglimento, con evidenti effetti positivi sul tasso di scambio termico.

I sistemi di accumulo con superfici di scambio termico interne necessita-no sempre dell’impiego di un opportunecessita-no fluido termo vettore, attraverso cui trasportare il calore da e verso il materiale a cambiamento di fase. A differenza dei sistemi con scambio termico sulla superficie esterna, la po-tenza termica scambiata con l’upo-tenza è solitamente l’aspetto di principale importanza nell’applicazione. Accumuli termici di questo tipo sono infatti utilizzati in tutti quei contesti in cui viene realizzato il recupero ed il riuti-lizzo di energia termica. Il calore/freddo fornito dalla risorsa deve dunque essere immagazzinato durante un determinato periodo di tempo per poi es-sere riutilizzato, successivamente, sulla base delle esigenze dell’utenza. In tutti questi casi il perfetto bilanciamento tra le tempistiche dell’accumulo e quelle dell’utenza, e di conseguenza tra le rispettive potenze, rappresenta naturalmente il requisito fondamentale.

La soluzione con superficie di scambio termico interna può essere realizzata utilizzando due differenti approcci costruttivi: il primo è quello dei sistemi di accumulo tipo scambiatore di calore, mentre il secondo quello dei sistemi di tipo modulare.

Tipologia scambiatore di calore

I sistemi di accumulo termico latenti tipo scambiatore di calore sono proba-bilmente la tipologia più diffusa. La loro struttura è derivata direttamente dal principio costruttivo di un qualunque scambiatore di calore a due flui-di. Per costituire l’accumulo termico, su uno dei due lati dello scambiatore (solitamente quello esterno) il fluido viene semplicemente rimpiazzato dal materiale a cambiamento di fase. Il fluido termo vettore, ad esempio acqua, fluisce invece attraverso lo scambiatore di calore, che consiste a sua volta in un certo numero di tubi disposti omogeneamente all’interno del volume.

Questa categoria di accumuli si distingue tipicamente per:

- Elevate densità di accumulo (fino al 95% in volume di PCM);

- Picco di potenza in corrispondenza dell’inizio della fase di scarica, dato che i canali dello scambiatore di calore sono riempiti con il fluido termo vettore utilizzato per caricare l’accumulo;

- Valori di potenza medio-alti durante la fase di scarica, i quali dipen-dono fortemente dal design dello scambiatore di calore.

La potenza termica assorbita, o ceduta, dall’accumulo termico è proporzio-nale al calore specifico del fluido termo vettore, alla sua portata in massa ed alla differenza di temperatura tra ingresso ed uscita

˙Q = ˙mcp(Tout− T_in) (2.1)

Figura 2.13: Accumulo termico tipo scambiatore di calore: schema di principio (sinistra) e performance tipiche (destra) [14].

Assumendo che il calore specifico del fluido e la sua portata in massa siano costanti nel tempo, la potenza termica è proporzionale alla differenza di temperatura tra ingresso ed uscita. É per questo motivo che, in figura 2.13, è stata utilizzata un’unica curva per rappresentare sia la potenza termica scambiata che la temperatura in uscita del fluido termo vettore. L’integrale della potenza, rispetto al tempo di scarica, è pari al calore estratto dall’ac-cumulo e, se si trascurano le perdite termiche, anche al calore che era stato precedentemente immagazzinato. Nel grafico riportato in figura 2.13 tale quantitativo energetico è rappresentato dall’area evidenziata in grigio.

L’accumulo termico viene preriscaldato, durante la fase di carica, fino ad un valore di temperatura costante al di sopra di quello corrispondente alla transizione di fase del materiale. Quando la fase di scarica ha inizio, il fluido termo vettore freddo entra nel sistema e, contemporaneamente, quello caldo con temperatura pari al valore di preriscaldamento lo lascia. La presenza del fluido termo vettore preriscaldato causa, come riportato in figura 2.13, un picco di potenza in corrispondenza della primissima fase di scarica, con la temperatura di uscita pari esattamente al valore di preriscaldamento del-l’accumulo. La durata temporale di questa prima fase dipende naturalmente dalla portata in massa del fluido.

Una volta esaurito il fluido già presente all’interno dello scambiatore di ca-lore, il fluido termo vettore che abbandona l’accumulo è lo stesso ad essere precedentemente entrato alla temperatura di ingresso Tin. Ne consegue, per-tanto, che il fluido in questione è stato riscaldato esclusivamente dal calore estratto dal sistema di accumulo: la temperatura di uscita del fluido inizia dunque a diminuire progressivamente fino a scendere al di sotto del valore di transizione. Una volta che il calore sensibile al di sopra della transizione liquido-solido è stato scaricato completamente, il comportamento dell’accu-mulo termico può seguire due scenari differenti. Il discrimine tra i due è dettato dal processo di scambio termico interno al sistema, ed in particolare dal peso relativo delle due principali resistenze termiche. Queste sono quella dell’insieme fluido/pareti dello scambiatore, che è costante, è quella interna al PCM, che invece aumenta con il tempo ed al progredire del fronte di

Figura 2.14: Esempio di misurazione della temperatura in uscita per un accumulo del tipo scambiatore di calore [14].

solidificazione. Se il design del sistema è tale per cui la resistenza dell’insie-me fluido termo vettore e scambiatore di calore è quella dominante, allora, essendo questa costante, la temperatura di uscita del fluido e la potenza scambiata realizzeranno un plateau durante tutto il periodo di transizione.

Se invece è la resistenza termica all’interno del PCM ad essere il contri-buto dominante, allora temperatura e potenza diminuiranno gradualmente durante tutta la fase di scarica. Solitamente è quest’ultimo il comportamen-to più diffuso, in quancomportamen-to, nonostante il design dello scambiacomportamen-tore di calore, le scarse proprietà termofisiche dei PCMs fanno si che sia ancora loro il contributo principale di resistenza allo scambio termico (figura 2.14). Per questa tipologia di sistemi, la scelta ed il design dello scambiatore di calore gioca comunque un ruolo fondamentale nella definizione delle performance, influenzando direttamente sia il livello termico che il conseguente valore di potenza scambiato.

Tipologia a moduli

La seconda tipologia di sistemi di accumulo latenti con superfici di scambio termico interne è quella che prevede l’utilizzo di veri e propri "moduli" di PCM. In sostanza, invece di utilizzare uno scambiatore di calore che separi il PCM dal fluido termo vettore, il materiale a cambiamento di fase vie-ne macro incapsulato, ovvero inserito all’interno di appositi contenitori in grado di contenerlo. I moduli vengono a loro volta posizionati all’interno del serbatoio di accumulo, attraverso il quale passerà poi il fluido per lo scambio termico con il materiale. L’approccio per il quale il PCM è con-tenuto all’interno dei moduli rende la costruzione del sistema complessivo molto flessibile, permettendo la realizzazioni di forme e geometrie tra di loro molto differenti. I moduli di PCM sono solitamente macro incapsula-ti sotto forma di fogli corrugaincapsula-ti, piastre sotincapsula-tili oppure di capsule sferiche.

Figura 2.15: Esempio di macro incapsulamento con capsule sferiche [7].

Quest’ultima rappresenta la soluzione più comunemente utilizzata, poiché la geometria sferica presenta una elevata densità di impacchettamento (fi-no al 74% in volume) e, (fi-non me(fi-no importante, perché permette un facile riempimento del serbatoio.

Figura 2.16: Accumulo termico di tipo modulare: schema di principio (sinistra) e performance tipiche (destra) [14].

Questa tipologia di sistemi presenta tipicamente:

- Densità di accumulo medie (circa il 74% in volume per le sfere);

- Picco di potenza negli stadi iniziali del processo di scarica, analoga-mente a quanto visto per i sistemi tipo scambiatore di calore;

- Valori medio-bassi di potenza durante la fase di scarica, a causa dello scambio termico tra i moduli ed il fluido termo vettore.

Negli accumuli termici realizzati utilizzando questo approccio costruttivo il rapporto superficie-volume gioca un ruolo cruciale all’interno del meccani-smo di scambio termico. Aumentando il valore di tale rapporto è possibile aumentare drasticamente quello della potenza scambiata, essendoci a di-sposizione una maggiore superficie di scambio termico. Di conseguenza, la geometria e la disposizione dei moduli deve essere attentamente selezionata, sulla base dell’applicazione e delle sue specifiche richieste.