Efficiente e sostenibile la pompa di calore a propano del Fraunhofer Institut

La struttura dello scambiatore di calore sviluppato in questo progetto ricorda la ramificazione di un albero © Fraunhofer ISE

Le pompe di calore rendono l’energia ambientale utilizzabile per il riscaldamento.

«Il riscaldamento e l’acqua calda richiedono circa il 40% del consumo netto di energia in Germania. La combustione di preziosa energia di derivazione fossile come il gas naturale o il petrolio non è solo energeticamente priva di senso, ma anche dannosa per il clima. Le pompe di calore trasformano un’unità di energia elettrica, spesso rinnovabile, in tre o cinque unità di energia termica, il tutto completamente a emissioni zero. Ciò rende le pompe di calore un elemento importante nell’implementazione della transizione energetica» afferma il dott. Marek Miara, coordinatore del settore pompa di calore dell’Istituto Fraunhofer per i sistemi a energia solare ISE a Friburgo.

Tuttavia, di solito, le pompe di calore funzionano con refrigeranti sintetici contenenti gas fluorurati ad effetto serra, dannosi per l’ambiente. I ricercatori dell’Istituto Fraunhofer, con altri partner di ricerca,hanno ora sviluppato una pompa di calore in cui viene invece utilizzato il propano. Ciò non solo rende la pompa più ecocompatibile, ma anche più efficiente.

Sebbene il propano abbia ottime proprietà termodinamiche, è facilmente infiammabile e quindi una sfida per l’uso nel ciclo termodinamico. «Se si desidera utilizzare il propano, è necessario mantenere la quantità di refrigerante più bassa possibile al fine di ridurre il rischio per la sicurezza» afferma la dr.ssa Lena Schnabel, capo del dipartimento di riscaldamento e tecnologia di raffreddamento presso Fraunhofer ISE.

La struttura bionica assicura una distribuzione uniforme

Insieme ai partner di ricerca europei, i ricercatori ISE hanno quindi utilizzato scambiatori di calore a lamelle altamente compatte, saldati, che funzionano bene con bassi volumi di liquidi. «Il liquido deve evaporare completamente lungo la lunghezza della corsa o condensare nuovamente. Per garantire un funzionamento efficiente, in tutti i canali si deve avere lo stesso rapporto vapore / liquido. Questo non è facile ed è particolarmente difficile se si vuole ridurre il refrigerante»

Per risolvere il problema, Schnabel e il suo team hanno sviluppato tubi di distribuzione con una struttura bionica: «I comuni tubi di Venturi hanno l’aspetto di un mucchio di tubicini sottili  che finiscono nell’evaporatore. Il nostro sistema ha, invece, una struttura che si ramifica continuamente, come i rami e ramoscelli di un albero. Questo consente una distribuzione uniforme del refrigerante in ciascun canale dell’evaporatore, con una bassa carica di refrigerante. In questo modo l’intera superficie dello scambiatore di calore viene utilizzata in modo ottimale e l’efficienza aumenta

Per evitare il rischio di un’esplosione durante la compressione del propano, Schnabel e il suo team hanno utilizzato un compressore speciale in cui tutte le fonti di ignizione sono state incapsulate. Per evitare una qualunque fuoriuscita di propano, i singoli componenti della pompa sono stati collegati molto attentamente. «Al momento stiamo modificando il progetto tecnico della pompa di calore, testando i componenti nel loro comportamento a lungo termine e creando concetti di sicurezza acustica» afferma Schnabel.

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