GEOHEX : Il banco prova per lo scambio termico in fase singola
Nel progetto GEOHEX, uno degli obiettivi principali è stato lo sviluppo di materiali e rivestimenti avanzati in grado di migliorare le prestazioni degli scambiatori di calore utilizzati nelle applicazioni geotermiche. Per raggiungere questo risultato è stato necessario realizzare impianti sperimentali in grado di riprodurre condizioni operative reali, valutando l’effetto delle superfici nanostrutturate sul trasferimento termico. Il primo di questi impianti è il banco prova a scambio liquido/liquido in singola fase, progettato e realizzato da Spike come piattaforma per testare il comportamento delle piastre trattate e quantificare l’incremento di prestazioni ottenibile rispetto ai materiali convenzionali.
Il ruolo di Spike nella progettazione dell’impianto
Spike è responsabile dell’intera progettazione meccanica, idraulica e strumentale del banco prova. Il sistema è stato concepito per studiare in modo dettagliato il trasferimento termico tra un fluido organico e una salamoia geotermica simulata, operando con pressioni elevate e un controllo accurato delle condizioni operative. Il lavoro ha previsto: modellazione numerica, dimensionamento dei componenti, scelta dei materiali e sviluppo di una configurazione completamente accessibile e modulare. L’impianto integra infatti un sistema di controllo a PLC che gestisce avviamento, monitoraggio e acquisizione dati, assicurando stabilità e ripetibilità dei test.
Il cuore del banco prova: lo scambiatore a piastre sostituibili
Il banco prova include uno scambiatore progettato appositamente per consentire il montaggio rapido di piastre rivestite con i materiali GEOHEX. La geometria compatta è stata realizzata in acciaio inox e configurata per permettere l’estrazione delle piastre senza smontare l’intero circuito. Questo design ha consentito di confrontare trattamenti superficiali diversi mantenendo costanti tutte le altre condizioni operative, offrendo così un metodo di valutazione rigoroso per determinare l’efficacia delle superfici nanostrutturate nel migliorare il coefficiente di scambio termico.
La configurazione del banco e la strumentazione
Il banco prova è sviluppato su una struttura a due livelli, con la parte superiore dedicata ai componenti di processo, come scambiatori, valvole, serbatoi ausiliari e pannello operatore, mentre il livello inferiore ospita pompe, chiller, quadro elettrico, recuperatore di gas e unità di vuoto. Le connessioni sono realizzate con tubazioni in rame e acciaio inox, mentre la strumentazione include sensori di pressione, temperatura e portata. Questa configurazione consente un monitoraggio completo del comportamento termico e fluidodinamico del sistema, con tutti i dati raccolti in tempo reale dal PLC.
Condizioni operative e prestazioni del sistema
Il banco è progettato per lavorare con fluido organico R134a a temperatura compresa fra 35 e 25°C e salamoia geotermica a 170°C, a una pressione operativa di 10 bar, con pressione massima di 16 bar e pressione di progetto pari a 25 bar. Queste condizioni permettono di riprodurre scenari tipici di pre-riscaldo dei fluidi geotermici, mettendo alla prova le piastre trattate con nanoporous coating o con altri trattamenti di superficie oggetto del progetto GEOHEX.
Supporto della modellazione numerica
Durante la progettazione Spike ha impiegato Comsol Multiphysics per verificare il comportamento meccanico e termico dello scambiatore. Le simulazioni includono analisi delle tensioni di Von Mises alle alte pressioni, distribuzioni di velocità del fluido, mappe di temperatura sulle superfici e valutazioni della simmetria di flusso. Questi risultati hanno permesso di ottimizzare la geometria interna e assicurare uniformità dei profili termici in condizioni operative realistiche.
Un impianto essenziale per validare i materiali GEOHEX
Il banco prova a scambio di calore in fase singola rappresenta uno dei contributi principali di Spike al progetto GEOHEX. Grazie a questo impianto è possibile confrontare in modo standardizzato le prestazioni termiche di differenti superfici trattate, verificare la resistenza alla corrosione e valutare il comportamento degli scambiatori in condizioni operative tipiche degli impianti geotermici. Questo impianto di laboratorio costituisce la base sperimentale su cui si fonda la validazione dei materiali avanzati sviluppati dal consorzio, contribuendo allo sviluppo di scambiatori più efficienti, resistenti e sostenibili per il settore geotermico.