HOPE

Il Progetto ha permesso la realizzazione di un prototipo di scambiatore di calore innovativo. L’innovazione consiste sia nel materiale costituivo, che nel processo di produzione e nell’applicazione dello scambiatore stesso.
Il materiale utilizzato per la costruzione dello scambiatore di calore (o generatore di vapore) è una lega innovativa ideata da Sòphia High Tech. Esso è costituito da una lega di INCONEL e RAME ed è caratterizzato da ottime proprietà meccaniche, un’elevata conducibilità termica e un’ottima resistenza all’ossidazione e alla corrosione. Per avere un processo di lavorazione più smart e mission based, è stata utilizzata la tecnologia di Additive Manufacturing, con susseguente rifinitura meccanica mediante CNC Machining (al fini di raggiungere un elevato grado di precisione).
A partire dal materiale sotto forma di polvere, opportunamente miscelata mediante il processo di Mixing della Sòphia High Tech, è possibile produrre elementi di materiale dalla forma desiderata, in particolare di natura porosa.
Il secondo aspetto innovativo è l’applicazione dello scambiatore di calore nell’ambito del recupero dell’energia termica derivante dallo sfruttamento delle energie rinnovabili.
Attualmente uno dei temi più discussi è lo sfruttamento delle energie rinnovabili per la produzione di energia elettrica in maniera “green” evitando la produzione di emissioni inquinanti e climalteranti. Tra le fonti di energia rinnovabile maggiormente sfruttate ci sono l’energia solare e l’energia geotermica.
Quasi la totalità degli impianti per lo sfruttamento dell’energia solare è costituita da impianti fotovoltaici. Il raffreddamento dei pannelli fotovoltaici, soprattutto quelli di ultima generazione, è uno dei problemi principali su cui la ricerca si sta concentrando negli ultimi anni: infatti, più bassa è la temperatura del pannello, più alta è la sua efficienza per convertire l’energia solare in energia elettrica.
Un’applicazione molto promettente e quella di utilizzare lo scambiatore di calore in modo da raffreddare il pannello fotovoltaico utilizzando come fluido termovettore un fluido organico bassobollente, in modo da potere essere utilizzato come fluido vettore in un ciclo Rankine organico (ORC) per la produzione di energia elettrica in maniera pulita. La porosità del materiale, infatti, lo rende adatto all’utilizzo come generatore di vapore in impianto ORC. Una seconda applicazione riguarda l’utilizzo dello scambiatore di calore progettato come generatore di vapore per sfruttare l’energia geotermica. Il fluido organico proveniente da una pompa acquisisce calore e vaporizza passando all’interno del generatore di vapore che può essere posto direttamente nel sottosuolo; successivamente, attraverso una turbina genera energia elettrica che può essere utilizzata in loco o ceduta alla rete elettrica nazionale.

Il progetto ha rispettato gli obiettivi preposti in maniera preliminare e riportati come obiettivi realizzativi:

• Stato dell’arte di sistemi di produzione energia rinnovabile e degli scambiatori di calore
• Stato dell’arte materiali per applicazioni in ambito energetico
• Definizione requisiti generatore di vapore e modellazione
• Definizione requisiti materiale da utilizzare nel processo di Additive Manufactruring
• Dimensionamento e progettazione dello scambiatore di calore
• Realizzazione, mediante SLM e CNC, test materiale per il generatore
• Realizzazione del generatore unito alla cella fotovoltaica
• Analisi sperimentale e numerica delle prestazioni dello scambiatore di calore

Sono stati definiti gli strumenti tecnologici per la standardizzazione della produzione di impianti ibridi CPV/ORC.
Dopo aver definito i requisiti prestazionali dello scambiatore di calore e del materiale da utilizzare, sono state condotte una serie di simulazioni termofluidodinamiche per strutturare e dimensionare lo scambiatore.
È stato infine prodotto un prototipo di scambiatore di calore su cui sono state eseguite una serie di prove sperimentali dirette alla stima delle prestazioni dello scambio termico raggiungibili con l’approccio progettuale proposto. Anche in questo caso, il materiale utilizzato per la realizzazione è la miscela custom a base Inconel 10% e Rame 90%.
Utilizzando tale prototipo di scambiatore di calore monolitico è stato possibile eseguire una campagna sperimentale attraverso un banco prova appositamente progettato e sviluppato. Attraverso tali prove, unitamente a simulazioni termofluidodinamiche, è stato possibile stimare il coefficiente di scambio termico globale, e le perdite di carico.

Con il presente progetto, sfruttando l’innovazione delle tecnologie additive, è stato possibile realizzare uno scambiatore di calore in un’unica soluzione monolitica per un impianto integrato CPV/T-ORC. In particolare, tale scambiatore è stato progettato per ottimizzare la dissipazione dell’energia termica per il corretto raffreddamento delle celle fotovoltaiche in impianti a concentrazione solare, e per massimizzare l’efficienza del trasferimento del calore in eccesso al fluido organico dell’impianto ORC sottoposto.
Lo sviluppo di tale soluzione tecnologia è avvenuto espletando numerose e complesse attività. Innanzitutto, è stato analizzato lo stato dell’arte degli impianti solari fotovoltaici a concentrazione, e sono stati individuati i principi teorici sui quali basare la progettazione dello scambiatore di calore. Parallelamente, è stato progettato un materiale adatto alla realizzazione di tale manufatto con tecnologia additiva, e avente le giuste proprietà termomeccaniche in grado di garantire elevate prestazioni dello scambio termico nelle condizioni di esercizio. Prerequisito per il perseguimento di tale scopo è stato lo studio dello stato dell’arte sui materiali per scambiatori di calore, al fine di identificare la migliore strategia per lo sviluppo dello scambiatore di calore.
Sono stati quindi definiti e analizzati i requisiti richiesti allo scambiatore di calore. Sulla base di questi, sono state valutate diverse possibili soluzioni per il concept design dello scambiatore utilizzando uno strumento di simulazione numerica, sviluppato all’uopo per l’esecuzione del progetto.
Oltre a tale attività, anche la definizione della lega da utilizzare per la costruzione dello scambiatore di calore è stata propedeutica alla progettazione del nuovo scambiatore.
Utilizzando un processo e un impianto prototipale, all’uopo sviluppati per la realizzazione del progetto, è stato realizzato uno specifico Design of Experiment per il setting dei parametri di miscelazione e stampa 3D di una miscela sviluppata in forma custom composta da polveri di Rame ed Inconel. Nello specifico, sono state considerate 3 leghe con diverse percentuali di Rame: 70%, 80% e 90%.
Si è quindi passati alla progettazione dello scambiatore di calore. A partire dai requisiti funzionali e di resistenza meccanica, e dalle prestazioni attese dello scambio termica, è stata eseguita una progettazione preliminare diretta a definire e soluzioni tecnologiche da implementare. Utilizzando un software di simulazione termofluidodinamica, sono state analizzate differenti soluzioni geometriche, rappresentando lo scambiatore di calore attraverso schematizzazioni 1D, simulando l’integrazione con un CPV con un rapporto di concentrazione di 1000.
È stata quindi eseguita una progettazione finalizzata alla produzione del prototipo. Innanzitutto, si è proceduto con il dimensionamento dello scambiatore di calore, e si è poi definito il progetto del prototipo da realizzare con tecnologia additiva, di cui è stato realizzato il prototipo virtuale CAD e i disegni tecnici.
Il prototipo presenta al suo interno una struttura lattice progettata per incrementare le prestazioni dello scambio termico.
Parallelamente alla attività di progettazione, sono stati definiti e realizzati una serie di test per caratterizzare dal punto di vista termo-meccanico le 3 diverse leghe di Inconel Rame, rispettivamente con il 70%, l’80% e il 90% di rame.
Per ognuna delle leghe sono stati stampati diversi provini facendo variare i parametri di stampa secondo un DOE opportunamente strutturato con l’obiettivo di determinare quella combinazione di parametri in grado di ottimizzare il processo di stampa 3D ottenendo un materiale stampato con le migliori caratteristiche termomeccaniche possibili. Pertanto, i test realizzati hanno avuto come obiettivo la selezione di una lega di Inconel + Rame e del relativo processo di manufacturing per la realizzazione dello scambiatore. In una prima fase sono stati stampati dei provini cubici per valutare conducibilità termica, durezza e densità. Per le migliori combinazioni di parametri di stampa 3D sono stati poi realizzati dei provini ad osso di cane per una caratterizzazione meccanica completa. Sono stati infine valutati gli effetti di un trattamento termico. Dalle analisi effettuate si è valutato che al 90% di rame si ottengono i migliori risultati in termini di proprietà termiche. Queste, infatti, dopo trattamento termico, raggiungono valori di circa 120 W/mK. I parametri identificati per la stampa consentono di avente: Potenza 192 W; Scan speed 400 mm/s.
A valle della progettazione si è passati alle attività inerenti alla produzione del prototipo di scambiatore di calore con tecnologia additiva. Infine, è stato allestito un banco prova per l’esecuzione di test in laboratorio diretti alla caratterizzazione termofluidodinamica del prototipo di scambiatore, riproducendo condizioni di funzionamento quanto più prossime possibili a quelle reali di esercizio. Le acquisizioni delle principali grandezze fisiche, quali temperature, pressioni e portata, hanno consentito la valutazione del coefficiente globale di scambio termico e delle perdite di carico.