Banco Prova Pompa di Calore ad aria in Ciclo Brayton Inverso
Spike ha progettato e realizzato un banco prova dedicato allo studio sperimentale di pompe di calore ad aria basate su ciclo Brayton inverso, con l’obiettivo di analizzare rendimento, stabilità operativa e comportamento termodinamico in diverse configurazioni. Il sistema integra componenti specifici per compressione, espansione, scambio termico e controllo, permettendo di ricreare in modo accurato le condizioni operative di una macchina reale. Il banco è stato sviluppato per offrire la massima flessibilità sperimentale e per consentire lo studio comparativo tra configurazioni a ciclo chiuso rigenerato, ciclo chiuso non rigenerato e ciclo aperto.
Architettura del banco prova e principio di funzionamento
Il banco si basa su un circuito d’aria che segue un ciclo Brayton inverso completo, dotato di compressione, rigenerazione, raffreddamento ed espansione. La compressione è garantita da due compressori Rotrex operanti in parallelo, mentre l’espansione è attualmente realizzata tramite valvola di laminazione e in una futura configurazione potrà essere affidata ad una turbina tipo turbocharger Garrett, con bypass per evitare condizioni di pompaggio. Il Cooler effettua la riduzione di temperatura a valle della compressione, mentre il rigeneratore recupera calore in modo controcorrente, migliorando l’efficienza nel funzionamento in ciclo chiuso rigenerato. La configurazione è completamente modulare e consente di attivare o escludere singoli componenti a seconda del tipo di prova.
Il ruolo dell’anello acqua di raffreddamento
Il circuito acqua è un elemento centrale del banco, garantendo la gestione termica dell’intero sistema. Tale sistema fornisce il fluido caldo all’Heater, estrae calore dal Cooler e raffredda l’olio dei compressori tramite scambiatori dedicati. L’intero anello è progettato per assicurare stabilità termica anche sotto carichi variabili, con drycooler multipli in parallelo, pompe dedicate e logiche di ridondanza per garantirne la continuità operativa.
Configurazioni di prova e flessibilità operativa
Il banco è progettato per lavorare in tre configurazioni principali. Nel ciclo chiuso rigenerato, aria e scambiatori operano in un circuito completamente isolato dall’ambiente, con recupero termico tramite rigeneratore. Nel ciclo chiuso non rigenerato, lo stesso percorso è mantenuto ma con valvole impostate per bypassare il rigeneratore. Nel ciclo aperto, l’aria viene aspirata e scaricata verso l’esterno. Questa versatilità consente di effettuare test comparativi di efficienza, risposta dinamica e comportamento termico dei compressori, oltre che analizzare le performance del sistema in condizioni di ambiente variabile.
Strumentazione e sistemi di regolazione
Il banco integra un sistema avanzato di misura e controllo; il sistema di supervisione gestisce avviamento e fermata di pompe, compressori, chiller e drycooler, e comanda le valvole di miscelazione a tre vie tramite PID dedicati. I setpoint principali riguardano le temperature di mandata dell’acqua (40 °C), la temperatura dell’aria all’uscita dall’Heater (15 °C) e quella dopo il Cooler (60 °C).
Sono installati dodici sensori di pressione, dodici sensori di temperatura e un misuratore di portata sul circuito aria. L’acquisizione dati avviene tramite datalogger con frequenza di 1 Hz, garantendo elevata risoluzione temporale utile per analisi transitorie, diagnostiche e validazione dei modelli termodinamici.
Risultati attesi e potenzialità applicative
Questo banco prova rappresenta una piattaforma sperimentale di alto livello per lo sviluppo di pompe di calore ad alta efficienza basate su tecnologia Brayton. La possibilità di variare le configurazioni, monitorare con precisione i parametri e regolare dinamicamente i flussi termici permette di testare compressori di nuova generazione, ottimizzare scambiatori, studiare cicli innovativi e validare digital twin di macchine termiche.
Le potenzialità del sistema includono lo sviluppo di pompe di calore per alte potenze, l’integrazione in sistemi di recupero calore industriale e la valutazione di tecnologie ibride, rendendo il banco un asset strategico per ricerca e sviluppo nel settore HVAC e nel campo delle macchine termiche avanzate.