IT202000016996A1 - Scambiatore di calore e massa realizzato con un biocomposto idrogel di alginato-bentonite per catturare vapore acqueo, e relativo processo di produzione - Google Patents
Scambiatore di calore e massa realizzato con un biocomposto idrogel di alginato-bentonite per catturare vapore acqueo, e relativo processo di produzione Download PDFInfo
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Description
DESCRIZIONE
SETTORE TECNICO
La presente invenzione si riferisce al settore dell?energia e, in particolare, ad adsorbire e immagazzinare vapore acqueo direttamente dall'aria dell?ambiente in qualsiasi tipo di clima.
In particolare, la presente invenzione ? relativa a uno scambiatore di calore ad adsorbimento.
La presente invenzione riguarda anche un procedimento per la realizzazione del suddetto scambiatore di calore ad adsorbimento.
Lo scambiatore di calore ad adsorbimento della presente invenzione ? preferibilmente e vantaggiosamente applicato in combinazione con il dispositivo di raccolta dell'acqua atmosferica descritto nella domanda internazionale pubblicata al n. WO 2019/082000 A1 della stessa Richiedente.
Le aree di applicazione preferite della presente invenzione sono la raccolta dell'acqua atmosferica (produzione di acqua dolce, utilizzando l'atmosfera come fonte, per usi finali civili, agricoli e industriali) e la deumidificazione dell'aria per l'industria dell'essiccazione e del condizionamento dell'aria (rimozione del vapore acqueo dai flussi d'aria utilizzati come applicazioni industriali per fluidi di processo - come essiccazione di alimenti e/o merci, settore pneumatico, ecc. - e/o applicazioni per il comfort termico umano).
STATO DELL'ARTE
Oggi 1,2 miliardi di persone vivono in aree di scarsit? fisica di acqua e altri 500 milioni di persone si stanno avvicinando alla scarsit? fisica di acqua; inoltre, 1,6 miliardi di persone devono far fronte alla carenza idrica economica e 844 milioni di persone non hanno accesso a un servizio di base di acqua potabile.
Tra questi, 159 milioni di persone dipendono dalle acque superficiali spesso inquinate e considerate non potabili secondo molti standard dei paesi sviluppati.
Si stima che il 17% della popolazione urbana subsahariana non abbia accesso a una fonte idrica sanitaria; circa il 30% delle scuole non ha accesso all'acqua pulita.
Un residente urbano su due nei paesi in via di sviluppo ? ancora affetto da malattie legate a un accesso insufficiente all'acqua potabile; si stima che l'acqua contaminata causi pi? di mezzo milione di morti per dissenteria ogni anno.
I costi sanitari associati alle malattie trasmesse dall'acqua come la malaria, la dissenteria e le infezioni da vermi rappresentano pi? di un terzo dello stipendio delle famiglie povere nell'Africa subsahariana.
Oltre 60 milioni di abitanti degli Stati Uniti non si fidano dell'acqua del rubinetto e circa il 20% delle famiglie americane fa affidamento su acque sotterranee di bassa qualit?.
Questi numeri impressionanti evidenziano quanto sia fondamentale trovare soluzioni affidabili, sostenibili e soluzioni convenienti per fornire acqua dolce anche in aree remote.
Pertanto, esiste ancora la necessit? di risolvere il problema della separazione/intrappolamento del vapore acqueo dall'aria dell?ambiente ai fini della raccolta dell'acqua atmosferica.
Nella raccolta dell'acqua atmosferica, la capacit? di intrappolare grandi quantit? di vapore acqueo dall'aria dell?ambiente e di convertirla in acqua dolce potabile, pu? rispondere alla crescente domanda di acqua dolce nei paesi colpiti da scarsit? d'acqua fisica e/o economica.
Le soluzioni esistenti per la rimozione del vapore acqueo dall'aria e la conversione in acqua dolce sfruttano principalmente due approcci: sistemi essiccanti e sistemi di compressione del vapore.
I sistemi essiccanti sfruttano le propriet? igroscopiche dei materiali assorbenti, che hanno la capacit? di rimuovere direttamente il vapore acqueo tramite esposizione all'aria; la rigenerazione del materiale essiccante ? necessaria dopo la saturazione con umidit? per riattivare le sue propriet? assorbenti iniziali; la velocit? di assorbimento dell'acqua e la capacit? dei materiali assorbenti definiscono le loro prestazioni (queste dipendono dalle condizioni dell'aria dell?ambiente, in particolare, il basso contenuto di vapore acqueo nell'aria dell?ambiente porta a un basso assorbimento d'acqua e ad una temperatura di rigenerazione pi? elevata).
Esempi di sistemi essiccanti sono descritti in US 8118912 B2 intitolato ?LOW POWER ATMOSPHERIC WATER GENERATOR?; US 8876956 B2 intitolato ?SYSTEM FOR WATER RECOVERY INCLUDING MULTIPLE POWER SOURCES?; US 10640954 B2 intitolato ?SORPTION-BASED ATMOSPERIC WATER HARVESTING DEVICE?; WO 2018002918 A1 intitolato ?LIQUID DESICCANT VAPOR SEPARATION SYSTEM?; US 6511525 B2 intitolato ?METHOD AD APPARATUS FOR EXTRACTING WATER FROM AIR USING A DESICCANT?; US 20070028769 A1 intitolato ?METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING POTABLE WATER FROM AIR INLUDIG SEVERELY ARID AD HOT CLIMATES?; US 6336957B1 intitolato ?METHOD AND APPARATUS FOR EXTRACTING WATER FROM ATMOSPHERIC AIR?; WO 2016081863 intitolato ?SYSTEMS AND METHODS FOR GENERATING LIQUID WATER FROM AIR?; WO 2019071202 A1 intitolato ?SYSTEMS FOR GENERATING WATER WITH WASTE HEAT AND RELATED METHODS THEREFOR?. Tuttavia, la soluzione tecnica descritta in US 8118912 B2 ? un sistema per fornire acqua potabile basato su una ruota essiccante che cattura l'umidit? dall'aria dell?ambiente. Questi rotori vengono quindi rigenerati per condensare il vapore prodotto. Questa soluzione ha lo svantaggio di utilizzare la ruota essiccante come componente essiccante. Questo tipo di componente non pu? eseguire il trasferimento di massa e calore nello stesso luogo. Di conseguenza, i climi pi? caldi e secchi richiedono un'elevata temperatura di rigenerazione con effetti negativi sull'efficienza e sulla produttivit? dell'acqua. Inoltre, lo stadio di condensazione ? guidato da un ciclo di refrigerazione a compressione di vapore, aumentando l'intensit? di potenza di quella soluzione.
Tuttavia, la soluzione tecnica descritta in US 8876956 B2 ? un sistema per rimuovere l'umidit? dell'aria con un essiccante liquido (e un successivo ciclo di estrazione condotto da una fonte di calore esterna) per recuperare l'acqua raccolta in una camera di condensazione. Questa soluzione ha lo svantaggio di utilizzare cloruro di calcio direttamente a contatto con altri componenti e materiali della macchina. Questo fluido essiccante ? altamente corrosivo, generando numerosi problemi di manutenzione. Inoltre, la produzione di componenti non si aspetta la possibilit? di trasferimento di massa e calore co-localizzato e il recupero del calore latente dalla condensazione del vapore.
Tuttavia, la soluzione tecnica descritta in US 10640954 B2 ? un dispositivo passivo di raccolta dell'acqua basato su materiali igroscopici a struttura metallo-organica. La rigenerazione si ottiene esponendo il materiale alla luce solare, con un irraggiamento prossimo a 1 kW/m2, e dissipando il calore di condensazione nell'ambiente esterno attraverso un dissipatore metallico passivo. Questa soluzione presenta lo svantaggio di utilizzare un condensatore passivo. Ci? limita lo smaltimento del calore richiesto per la condensazione dell'acqua. Inoltre, la produzione di componenti limita il processo di rigenerazione solo attraverso l'esposizione dell'assorbente alla luce solare diretta. Ci? limita lo sfruttamento di fonti alternative di calore, come il calore disperso. Inoltre, la scalabilit? di tale soluzione ? limitata dalla disponibilit? di superficie libera esposta ai raggi solari, con un'estensione proporzionale al fabbisogno idrico.
Tuttavia, la soluzione tecnica descritta in WO 2018002918 A1 ? un sistema di raccolta dell'umidit? atmosferica, in cui il vapore acqueo ? separato dall'aria utilizzando un sottosistema essiccante liquido. Un'unit? di refrigerazione condensa il vapore acqueo rilasciato dall'essiccante liquido rigenerato con il calore solare. Questa soluzione ha lo svantaggio di sfruttare un ciclo frigorifero ausiliario, a temperatura compresa tra 4-15?C, per comandare la condensazione dell'acqua, riducendo i vantaggi energetici derivanti dall'utilizzo di adsorbenti igroscopici. Alla fine questa soluzione richiede una quantit? consistente di calore per la rigenerazione dell'essiccante e una quantit? consistente di potenza per la condensazione.
Tuttavia, la soluzione tecnica descritta in US 6511525 B2 ? un metodo e un apparato per estrarre acqua liquida mediante adsorbimento di acqua dall'aria in un essiccante e comprimendo il vapore acqueo rilasciato dalla rigenerazione dell'assorbente per la condensazione dello stesso vapore in acqua liquida. Questa soluzione ha lo svantaggio di richiedere energia meccanica, quindi energia elettrica, per pilotare il ciclo di adsorbimento / rigenerazione / condensazione per la generazione di acqua; infatti la rigenerazione si realizza creando depressione nella camera adsorbente, invece di utilizzare il calore solare, o altra fonte economica di calore per la rigenerazione. Inoltre, la condensazione richiede componenti attivi con una consistente richiesta di energia elettrica.
Tuttavia, la soluzione tecnica descritta in US 20070028769 A1 ? un sistema che utilizza un ciclo di sorbimento-desorbimento-condensazione con una ruota di sorbimento per estrarre l'umidit? dall'aria ambiente e per concentrare il vapore acqueo espulso dal materiale di sorbimento in un gas circolante con condensazione di liquido acqua dal gas circolante. Come accennato in precedenza, l'uso di componenti essiccanti rotanti che lavorano simultaneamente in adsorbimento e rigenerazione, come la ruota essiccante, inibisce la possibilit? di trasferimento di massa e calore co-localizzato. Con questo approccio, un clima caldo e arido richieder? temperature di rigenerazione maggiori (> 80 ? C), rispetto a un sistema che funziona con un trasferimento di massa e calore co-localizzato, ad esempio attraverso un processo isotermico come in WO 2019082000 A1 (?METHOD FOR PRODUCTIO F WATER FROM AIR ASED O LOW-TEMPERATURE HEAT, AND MACHINE AD SYSTEM THEREOF?) degli stessi autori della presente descrizione. Successivamente, in alcune configurazioni, la condensa ? guidata attraverso un ciclo di refrigerazione
Tuttavia, la soluzione tecnica descritta in US 6336957 Bl ? un metodo e un'apparecchiatura per estrarre acqua dall'atmosfera utilizzando materiale assorbente/adsorbente e un'oscillazione termica per variare la pressione all'interno di camere sigillate a tenuta per guidare alternativamente processi di adsorbimento e desorbimento. Questa soluzione ha lo svantaggio di richiedere consistenti variazioni di pressione e quindi guarnizioni a tenuta di pressione. Il vuoto parziale ? necessario ulteriormente per condensare il vapore acqueo. Questa soluzione presenta una notevole complessit? ed elevate temperature di esercizio, che possono precludere l'applicazione a costi molto contenuti.
Tuttavia, la soluzione tecnica descritta in WO 2016081863 ? un sistema che estrae il vapore acqueo dall'aria atmosferica utilizzando energia solare e ruote essiccanti. Come accennato prima, con questo tipo di componenti la rigenerazione ? adiabatica, e sono necessarie alte temperature per ottenere la rigenerazione in ambienti molto secchi Tuttavia, la soluzione tecnica descritta in WO 2019071202 A1 ? un sistema che accoppia un dispositivo essiccante con un riscaldatore separato, alimentato da una fonte di calore di scarto esterna che alimenta quindi un ciclo di raccolta dell'acqua. Poich? i processi di adsorbimento/rigenerazione avvengono simultaneamente su alcuni componenti essiccanti rotanti, si prevedono problemi sulla temperatura di rigenerazione soprattutto in climi caldi e aridi. Infine, anche in questo caso, la soluzione tecnica adottata come componente essiccante ? un fattore limitante per un migliore sfruttamento del materiale assorbente attraverso un trasferimento di calore e massa co-localizzato.
La tecnologia proposta nella presente descrizione, contrariamente a quanto presente nella letteratura di riferimento e nella letteratura nota non referenziata, si basa su un'architettura che consente il trasferimento simultaneo di calore e massa, impiegando il trasferimento co-localizzato tra pi? elementi: il materiale assorbente/adsorbente, il vapore acqueo e il vettore termico che fornisce calore o freddo. Inoltre la composizione assorbente/adsorbente consente elevate prestazioni, a basse temperature di rigenerazione e in un'ampia gamma di condizioni aride, impiegando un biopolimero igroscopico derivato da alginato.
I sistemi di compressione del vapore sfruttano un ciclo di refrigerazione che utilizza il tipico processo di compressione di un fluido che evapora/condensa per ridurre la temperatura dell'aria fino al punto di rugiada; il vapore acqueo viene estratto per condensazione ad una temperatura inferiore al punto di rugiada relativo; il consumo di energia dipende dalle condizioni dell'aria dell?ambiente (maggiore ? la temperatura, maggiore ? l'energia richiesta per condensare il vapore acqueo; pi? secca l'aria, ovvero minore punto di rugiada, pi? energia ? richiesta per condensare il vapore acqueo. Esempi di sistemi di compressione del vapore sono descritti in US 20100083673 A1 intitolato ?WATER PRODUCTION SYSTEM AND METHOD WITH AIR BYPASS?; KR 20160087805 A intitolato ?ATMOSPHERIC WATER GENERATION SYSTEM AND METHOD?; US 6684648 B2 intitolato ?APPARATUS FOR THE PRODUCTION OF FRESHWATER FROM EXTREMELY HOT AND HUMID AIR?; TW 593849 B intitolato ?APPARATUS AND METHOD FOR EXTRACTING POTABLE WATER FROM ATMOSPHERE?; US 7861544 B2 intitolato ?APPARATUS AND METHODS FOR CREATING SPARKLING WATER FROM THE ATMOSPHERE?; US 20200141095 A1 intitolato ?REFRIGERATION APPARATUS CONFIGURED TO CAPTURE ATMOSPHERIC WATER?; WO 2018167774 A1 intitolato ?SYSTEM AND METHOD FOR HIGH-EFFICIENCY ATMOSPHERIC WATER GENERATOR AND DEHUMIDIFIER?; CN 2675002 Y intitolato ?DOMESTIC AIR WATER DRINKING MACHINE?; US 8627673 B2 intitolato ATMOSPHERIC WATER HARVESTERS.
Tuttavia, queste soluzioni tecniche descritte in tutti i documenti relativi a una macchina refrigerata tramite un?unit? di compressione del vapore hanno tutti in comune i seguenti svantaggi: ? una tecnologia molto intensiva di energia elettrica che limita lo sfruttamento in aree remote e aride, dove la disponibilit? di elettricit? ? tanto probabile quanto la mancanza d'acqua. Inoltre i consumi di elettricit? dipendono dal punto di rugiada dell'aria trattata, aumentando costantemente quando questo ? molto basso. Inoltre, le apparecchiature ausiliarie necessariamente necessarie per condurre queste tecnologie tramite energie rinnovabili, come il fotovoltaico o l'eolico, aumenteranno i costi di capitale e la complessit? del sistema.
Inoltre, sussiste ancora un'ulteriore necessit? per risolvere il problema della separazione/intrappolamento del vapore acqueo dall'aria dell?ambiente ai fini del condizionamento.
Per la climatizzazione, la rimozione del vapore acqueo dall'ambiente interno condizionato porta a miglioramenti in termini di comfort termico umano.
Le tecnologie standard che guidano questo processo sono ad alto consumo energetico e, in particolare, sono normalmente realizzate utilizzando input di energia termica ad alta temperatura, non integrano l'energia solare e/o sprecano calore dal sistema di condizionamento; in generale, quindi, le tecnologie standard non sono in linea con il quadro dell'SDG 7, che richiede un maggiore sfruttamento delle energie rinnovabili per soddisfare la crescita mondiale della domanda di raffreddamento.
Le soluzioni note di condizionamento sono descritte, ad esempio, in US 20160195312 intitolato ?AIR CONDITIONING AND WATER HARVESTING?; CA 2736085 intitolato ?COMBINED AIR CONDITIONING AND WATER GENERATING SYSTEM?; US 8607583 B2 intitolato ?COMBINATION DEHYDRATOR, DRY RETURN AIR AND CONDENSED WATER GENERATOR/DISPENSER?; US 8506675 B2 intitolato ?COMPOSITE DESICCANT AND AIR TO WATER SYSTEM AND METHOD?; CN 105229386 B intitolato ?ON-CEILING LIQUID DESICCANT AIR CONDITIONING SYSTEM?.
Tuttavia, la soluzione tecnica divulgata in US 20160195312 ? un sistema che fornisce sia aria condizionata che raccolta di acqua atmosferica basata su un?unit? di refrigerazione a compressione di vapore.
Allo stesso modo, la soluzione tecnica descritta in CA 2736085 ? un sistema in cui un elemento di raffreddamento condensa l'acqua dall'aria atmosferica ed ? azionabile per passare dalla modalit? di condizionamento dell'aria, per il raffreddamento degli edifici e alla modalit? di generazione di acqua pura. L'elemento di raffreddamento ? refrigerato tramite una tecnologia di compressione del vapore.
La soluzione tecnica descritta in US 8607583 B2, ? un dispositivo portatile per fornire alternativamente acqua da un serbatoio di acqua condensata, o da una sorgete alternativa di acqua in bottiglia. Il sistema pu? quindi fornire acqua purificata e aria fredda secca per una casa, ufficio o camera di disidratazione. Tutte queste tre soluzioni presentano gli svantaggi dei refrigeratori tipici, menzionati nella sezione precedente sulle tecnologie di compressione del vapore. Le questioni principali riguardano il costo energetico e l'uso intensivo di energia elettrica.
Tuttavia, la soluzione tecnica descritta in US 8506675 B2 impiega un materiale essiccante composito costituito da schiuma PVA o foglio fibroso non tessuto imbevuto in una soluzione di CaCl2. Un impilamento multicamera di questa membrana disposta in fogli, costituisce un sistema per la raccolta dell'acqua atmosferica. Questa soluzione ha lo svantaggio di impiegare una membrana per evitare la contaminazione dell'aria con il contatto diretto tra l'essiccante stesso e l'aria. Questa soluzione tecnica aumenta la resistenza al trasferimento di massa del vapore, riducendo la cinetica del processo di produzione dell'acqua. Oltre a essere l'essiccante un fluido liquido, ulteriori costi energetici saranno associati al pompaggio dell'essiccante per assicurare il funzionamento del sistema.
Tuttavia, la soluzione tecnica descritta in CN 105229386 B ? un sistema di condizionamento d'aria basato su un essiccante liquido. L'essiccante ? contenuto in una membrana permeabile al vapore per evitare la contaminazione dell'aria trattata o la fuoriuscita del liquido essiccante dannoso e altamente corrosivo. Questa soluzione presenta l'inconveniente di utilizzare una membrana selettiva, permeabile solo al vapore acqueo, con associata resistenza al trasferimento di massa del vapore stesso. Come prima, una cinetica ridotta del processo di produzione dell'acqua e i costi energetici aggiuntivi legati al pompaggio di essiccante sono i problemi principali per un tale tipo di tecnologia.
Nessuna delle soluzioni tecniche sopra menzionate, n? alcuna loro combinazione, ? in grado di fornire uno scambiatore per adsorbire e immagazzinare il vapore acqueo direttamente dall'aria ambiente, in modo da essere fattibile per qualsiasi tipo di clima, umido o arido.
Inoltre, nessuna delle soluzioni tecniche sopra menzionate, n? alcuna loro combinazione, ? in grado di fornire uno scambiatore per eseguire un ciclo veloce di intrappolamento/rigenerazione dell'acqua, senza essere influenzato dalla resistenza alla cinetica di trasferimento di massa.
Inoltre nessuna delle soluzioni tecniche sopra citate, n? alcuna loro combinazione, ? in grado di fornire uno scambiatore per aumentare la quantit? totale di acqua prodotta adottando una soluzione tecnica che consenta il trasferimento di calore e massa co/localizzato.
Inoltre, nessuna delle soluzioni tecniche sopra menzionate, n? alcuna loro combinazione, ? in grado di fornire una tecnica di fabbricazione per produrre scambiatori per la cattura del vapore acqueo anche in condizioni di temperature ambiente elevate e di bassa umidit? relativa, tipiche dei climi aridi.
Pertanto, anche se sono disponibili molte soluzioni tecniche, esiste ancora la necessit? di sistemi di separazione/intrappolamento del vapore acqueo dall'aria dell?ambiente sia per la raccolta dell'acqua atmosferica che per il condizionamento dell'aria.
Nello specifico, esiste ancora la necessit? di uno scambiatore di calore e di massa ad alte prestazioni, competitivo, efficace e flessibile per la cattura del vapore acqueo. Inoltre, esiste ancora la necessit? di un processo per produrre uno scambiatore di calore e di massa ad alte prestazioni, competitivo, efficace e flessibile per la separazione / cattura del vapore acqueo dall'aria ambiente sia per la raccolta dell'acqua atmosferica che per il condizionamento dell'aria.
In breve quindi, fino ad oggi, a conoscenza della Richiedente, non sono note soluzioni che consentano di fornire scambiatori per la cattura del vapore acqueo e processi per la produzione di tali scambiatori tali da:
- operare una grande capacit? di raccolta di acqua in climi secchi, in particolare la differenza di assorbimento di acqua tra lo stato umido e lo stato secco di 0,7 kgH2O kgsorbente secco<-1 >- - ottenibile con un ambiente di 20-30 ?C e 1 kPa di pressione del vapore acqueo e una temperatura di rigenerazione di 60 ?C;
- raggiungere la biocompatibilit?, grazie al fatto che il processo di produzione del materiale assorbente/adsorbente nella sua configurazione finale non prevede l'utilizzo di composti tossici; per il processo produttivo sono necessari solo prodotti chimici di grado alimentare, eliminando ogni rischio di contaminazione dell'acqua liquida prodotta e/o dell'aria condizionata;
- presentare un significativo miglioramento delle prestazioni rispetto agli attuali approcci commerciali impiegati per l?intrappolamento del vapore acqueo;
- rispondere alla crescente domanda di soluzioni affidabili, sostenibili ed economiche per fornire acqua dolce anche in aree remote;
- realizzare rapidi cicli di intrappolamento/rigenerazione dell'acqua;
- impiegare materie prime economiche e disponibili a livello industriale;
- fabbricare mediante stampaggio ad iniezione: prima della solidificazione attraverso il processo di gelificazione, il sorbente ed i suoi costituenti si presentano sotto forma di un fluido viscoso; ci? facilita l'iniezione del fluido prima in uno stampo, guidando successivamente la gelificazione a temperatura e pressione ambiente, creando la forma finale desiderata dell'idrogel;
- applicare lo stesso processo nel rivestimento profondo sulla superficie per lo scambio termico di vari substrati (ad esempio alluminio, rame, materiali polimerici e altri mezzi termicamente conduttivi e impermeabili);
- fabbricare il materiale in un modo che possa essere facilmente aumentata la produzione; il processo di produzione sia del materiale che del componente non richiede particolari sforzi per la costruzione di uno specifico ambiente produttivo e questo porta ad una riduzione dei costi per la produzione del materiale e del componente;
- fornire un processo di funzionalizzazione facile, scalabile, a basso costo e veloce per la produzione di scambiatori superando gli inconvenienti delle precedenti tecniche proposte;
- essere adatti per essere eseguiti in qualsiasi condizione climatica.
Pertanto, la Richiedente, con lo scambiatore per l?intrappolamento del vapore acqueo e il relativo processo per produrre tale scambiatore secondo la presente invenzione, intende porre rimedio a tali carenze.
SCOPI E BREVE DESCRIZIONE DELL?INVENZIONE
Scopo della presente invenzione ? quello di superare gli inconvenienti della tecnica nota relativi ai sistemi di separazione/intrappolamento del vapore acqueo dall'aria dell?ambiente ai fini sia della raccolta dell'acqua atmosferica che del condizionamento dell'aria.
? uno specifico scopo della presente invenzione quello di superare gli inconvenienti della tecnica nota relativi a scambiatori di calore e di massa per l?intrappolamento del vapore acqueo ad alte prestazioni, competitivi, efficaci e flessibili.
Uno scopo pi? specifico della presente invenzione ? quello di superare gli inconvenienti della tecnica nota relativi agli scambiatori per l?intrappolamento del vapore acqueo in condizioni di temperatura ambiente anche elevate e di bassa umidit? relativa, tipiche dei climi aridi.
La presente invenzione intende risolvere il problema della separazione/intrappolamento del vapore acqueo dall'aria dell?ambiente ai fini sia della raccolta dell'acqua atmosferica che del condizionamento dell'aria.
In particolare, la presente invenzione mira a fornire uno scambiatore di calore e di massa ad alte prestazioni, competitivo, efficace e flessibile per l?intrappolamento del vapore acqueo.
La presente invenzione mira anche a fornire un processo per produrre uno scambiatore di calore e di massa ad alte prestazioni, competitivo, efficace e flessibile per la separazione / intrappolamento del vapore acqueo dall'aria dell?ambiente allo scopo sia della raccolta dell'acqua atmosferica che del condizionamento dell'aria. La presente invenzione trova un'applicazione preferita e vantaggiosa in combinazione con il dispositivo di raccolta dell'acqua atmosferica descritto nella domanda internazionale pubblicata al n. WO 2019/082000 A1 della stessa Richiedente.
I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell'invenzione, come risulter? dalla descrizione che segue, vengono raggiunti con uno scambiatore di calore ad adsorbimento secondo la rivendicazione 1.
Inoltre, i suddetti ed altri scopi e vantaggi dell'invenzione vengono raggiunti con un dispositivo di raccolta dell'acqua atmosferica secondo la rivendicazione 6.
Inoltre, i suddetti ed altri scopi e vantaggi dell'invenzione vengono raggiunti con un procedimento per produrre uno scambiatore di calore ad adsorbimento secondo la rivendicazione 7.
Forme di realizzazione preferite e varianti dello scambiatore di calore ad adsorbimento e del processo di produzione della presente invenzione sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti.
Resta inteso che tutte le rivendicazioni allegate formano parte integrante della presente descrizione e che ciascuna delle caratteristiche tecniche in essa rivendicate ? eventualmente indipendente ed autonomamente utilizzabile rispetto agli altri aspetti dell'invenzione.
Risulter? immediatamente evidente che diverse modifiche (ad esempio relative a forma, dimensioni, disposizioni e parti con funzionalit? equivalente) potrebbero essere apportate a quanto descritto senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione come rivendicato nelle rivendicazioni allegate.
Vantaggiosamente, la soluzione tecnica secondo la presente invenzione consente di: - operare una grande capacit? di raccolta di acqua in climi secchi: un assorbimento di acqua di 0,7 kgH2O kgsorbente secco<-1 >(su base secca) ? ottenibile con un ambiente di 20-30 ? C e 1 kPa di pressione del vapore acqueo;
- raggiungere la biocompatibilit?: il processo di produzione del materiale assorbente nella sua configurazione finale non prevede l'utilizzo di composti tossici; per il processo produttivo sono necessari solo prodotti chimici di grado alimentare, eliminando ogni rischio di contaminazione dell'aria condizionata e/o dell'acqua liquida prodotta;
- realizzare la producibilit? tramite stampaggio ad iniezione: prima della solidificazione attraverso il processo di gelificazione, il sorbente ed i suoi costituenti sono sotto forma di un fluido viscoso; questo facilita l'iniezione del fluido prima in uno stampo, guidando successivamente la gelificazione a temperatura e pressione ambiente, creando la forma finale desiderata dell'idrogel. ? degno di nota che lo stesso processo pu? essere applicato nel rivestimento profondo sulla superficie per lo scambio termico di vari substrati (ad esempio alluminio, rame, materiali polimerici, eccetera);
- effettuare la fabbricazione del materiale pu? essere facilmente ridimensionato: il processo di produzione sia del materiale che del componente non richiede particolari sforzi per la costruzione di uno specifico ambiente di produzione; questo porta ad una riduzione dei costi per la produzione del materiale e del componente.
Ulteriori caratteristiche vantaggiose risulteranno pi? evidenti dalla seguente descrizione di realizzazioni preferite ma non esclusive, data a puro titolo di esempio esplicativo e non limitativo.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La presente invenzione verr? qui di seguito descritta mediante alcune forme di realizzazione preferite, fornite a titolo esplicativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati. Questi disegni illustrano differenti aspetti ed esempi della presente invenzione e, ove appropriato, strutture, componenti, materiali e / o elementi simili in figure differenti sono indicati con numeri di riferimento simili.
La Figura 1A mostra una rappresentazione schematica della fase di adsorbimento del funzionamento dell'ADS-HX con polimero igroscopico secondo la presente invenzione;
La Figura 1B mostra una rappresentazione schematica della fase di rigenerazione del funzionamento dell'ADS-HX con polimero igroscopico secondo la presente invenzione;
La Figura 2 ? un diagramma di flusso schematico delle fasi richieste per modellare una geometria a nido d'ape attraverso la gelificazione ionotropica di alginato di sodio in una soluzione ionica di acqua e cationi bivalenti, con una tecnica di stampaggio, secondo la presente invenzione;
La figura 3 ? un diagramma di flusso schematico delle fasi richieste per modellare la stessa geometria a nido d'ape, direttamente su uno scambiatore di calore, secondo la presente invenzione;
La figura 4 mostra le curve di adsorbimento isotermico (IA) del polimero igroscopico secondo la presente invenzione; in particolare, il grafico di figura 4 mostra la relazione tra l'acqua intrappolata nei pori del materiale e la pressione e temperatura del vapore acqueo in un contatto di equilibrio;
La figura 5 mostra un'immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) sulla struttura interna del nido d'ape secondo la presente invenzione;
La Figura 6A ? una rappresentazione schematica della riduzione di volume del polimero causata dal ritiro intrinseco del biopolimero durante la fase di indurimento e dopo la gelificazione ionotropica, secondo la presente invenzione;
La Figura 6B mostra un grafico della riduzione di volume del polimero in funzione della concentrazione di cloruro di calcio (CaCl2), un esempio e non esaustivo di soluzione di cationi bivalenti nell'acqua, durante la gelificazione ionotropica secondo la presente invenzione;
La figura 7 ? una rappresentazione schematica di un dispositivo di raccolta dell'acqua atmosferica comprendente uno scambiatore di calore ad adsorbimento secondo la presente invenzione;
La figura 8A ? un grafico che mostra il transitorio richiesto dal componente per raggiungere la condizione operativa per la rigenerazione, 60 ?C, con una portata d'aria di 1 m/s e una portata d'acqua di 60 litri al minuto, un esempio non esaustivo di condizione operativa per il componente. Nel grafico sono raffigurati diversi punti acquisiti con una telecamera IR puntata verso la perpendicolare della sezione di ingresso dell'ADS-HX come mostrato in Figura 8B;
La figura 8B ? la distribuzione della temperatura misurata attraverso una termocamera ad infrarossi, osservando il transitorio durante l'attivazione della rigenerazione. La termocamera a infrarossi guarda verso la sezione dell'ADS-HX, come illustrato a sinistra;
La figura 9A mostra il tempo necessario per raggiungere la condizione di equilibrio corrispondente ad un aumento della raccolta di acqua del 25%, insieme all'umidit? relativa corrispondente al valore di equilibrio;
La Figura 9B mostra una mappa di funzionamento dell'ADS-HX che indica il tempo necessario per raggiungere l'assorbimento di acqua di equilibrio (gradualmente incrementato a 0,25-0,5-0-75-1 gH2O gsorbente secco<-1>) con un flusso d'aria di 1 m s<-1 >e una temperatura dell'aria di 30 ?C e umidit? relativa rispettivamente del 15-28-45-57-70-75%;
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL?INVENZIONE
Sebbene l'invenzione sia suscettibile di varie modifiche e realizzazioni alternative, alcune forme di realizzazione preferite sono mostrate nei disegni e verranno descritte in dettaglio nel seguito.
Resta inteso, tuttavia, che non vi ? alcuna intenzione di limitare l'invenzione alle specifiche forme di realizzazione illustrate ma, al contrario, l'invenzione intende coprire tutte le modifiche, costruzioni alternative ed equivalenti che rientrano nell'ambito dell'invenzione come definito nelle rivendicazioni.
Nella seguente descrizione, quindi, l'uso di "ad esempio", "ecc." e "o" denota alternative non esclusive senza limitazioni, se non diversamente indicato; l'uso di "anche" significa "tra, ma non limitato a", se non diversamente indicato; l'uso di "include / comprende" significa "include / comprende, ma non ? limitato a", se non diversamente indicato. Nella presente specifica, i seguenti termini hanno i seguenti significati:
"Scambiatore di calore e massa", un componente con la funzione di fornire il supporto per lo scambio di calore e massa d'acqua (sotto forma di vapore) tra l'aria, il sorbente e il vettore termico;
"Composito" indica un mezzo in cui la composizione del materiale ? significativamente condivisa tra componenti di diversa natura. L'assemblaggio dei diversi costituenti realizza un composito con propriet? migliorate rispetto al singolo costituente;
"Biocomposito" indica un mezzo composito in cui i costituenti principali derivano da materia naturale o sono costituiti da materia naturale o sono il risultato di attivit? biologica;
"Biopolimero" indica una struttura polimerica di monomero derivata da materia naturale o il risultato di attivit? biologica;
"Idrogel" indica un gel colloidale costituito da catene polimeriche idrofile solitamente disperse in acqua. Nello specifico di questa descrizione ? il solido risultante dalla gelificazione ionotropica di catene polisaccaridiche di alginato di sodio
"Igroscopico" indica la capacit? di attrarre prima e successivamente di trattenere molecole d'acqua sotto forma di acqua o liquido tramite assorbimento e/o adsorbimento;
"Biopolimero composito igroscopico" indica un composito in cui i costituenti principali hanno entrambe o singolarmente le propriet? definite da "igroscopico" e "biopolimero"; nella presente descrizione i termini "biopolimero composito igroscopico", "mezzo sorbente" e "polimero sorbente" sono usati indistinguibilmente, come sinonimi;
"Mezzo di scambio termico", un componente con la funzione di fornire il supporto per lo scambio di calore tra due o pi? materiali;
?Fluido di raffreddamento? indica un vettore di calore, costituito da un fluido (liquido o gassoso), con la funzione di sottrarre il calore a un materiale specifico (solido, gassoso o liquido) o pi? di uno;
"Fluido riscaldante" indica un vettore di calore, costituito da un fluido (liquido o gassoso), con la funzione di fornire calore a un materiale specifico (solido, gassoso o liquido) o pi? di uno;
"Fase di adsorbimento", il periodo di tempo durante il quale la direzione del trasferimento della massa d'acqua ? dalla massa d'aria alla struttura porosa sorbente; nella presente specifica i termini "adsorbimento" e "intrappolamento" sono usati indistinguibilmente, come sinonimi;
"Fase di rigenerazione", il periodo di tempo durante il quale la direzione del trasferimento della massa d'acqua ? dalla struttura porosa sorbente alla massa d'aria; nella presente descrizione i termini "rigenerazione" e "rilascio" sono usati indistinguibilmente, come sinonimi;
?Alte prestazioni/altamente perfromante? indica un miglioramento delle caratteristiche intrinseche che influenzano il funzionamento e le prestazioni del componente/materiale. Il termine usato per ?alte prestazioni? e simili significa: tempo ridotto per adsorbimento e rigenerazione completi; maggiore assorbimento di acqua con umidit? relativa inferiore e temperatura esterna pi? elevata; una temperatura di rigenerazione ridotta; una maggiore differenza di assorbimento d'acqua tra la fine dello stato di adsorbimento e la fine dello stato di rigenerazione; ridotta resistenza al trasferimento di massa, sia conduttiva che diffusiva
?Fluido omogeneo? indica un fluido costituito da materiale di diversa natura e fase e intimamente miscelato in modo tale che la concentrazione dei diversi singoli elementi o fasi sia complessivamente costante;
?Trasferimento di massa? indica un trasferimento di massa, in questo caso si intende una massa di vapore acqueo, tra la miscela di aria e il materiale sorbente, sia in adsorbimento che in rigenerazione;
La presente invenzione si basa sul concetto innovativo di fornire un nuovo scambiatore realizzato con un materiale innovativo e avente una geometria innovativa, potendo cos? catturare il vapore acqueo dall'aria ambiente anche a temperature ambiente elevate e condizioni di bassa umidit? relativa, tipiche di climi aridi, ai fini sia della raccolta dell'acqua atmosferica che del condizionamento dell'aria.
In particolare, la presente invenzione fornisce uno scambiatore di calore e di massa ad alte prestazioni, competitivo, efficace e flessibile per la cattura del vapore acqueo. La presente invenzione trova un'applicazione preferita e vantaggiosa in combinazione con il dispositivo di raccolta di acqua atmosferica descritto nella domanda di brevetto internazionale pubblicata al no. WO 2019/082000 A1 della stessa richiedente.
Aspetti indipendenti della presente invenzione, che verranno descritti in dettaglio di seguito con riferimento alle Figure da 1 a 7, si riferiscono a:
- uno scambiatore di calore ad adsorbimento 1;
- un dispositivo 10 di raccolta dell'acqua atmosferica comprendente almeno uno scambiatore di calore ad adsorbimento 1; e
- un processo per produrre uno scambiatore di calore ad adsorbimento 1.
La presente invenzione descrive un innovativo scambiatore di calore ad adsorbimento (ADSorption Heat eXchanger) ad alte prestazioni ADS-HX 1 che utilizza un biopolimero composito igroscopico, o mezzo adsorbente, 2; la presente invenzione descrive inoltre un procedimento innovativo per la realizzazione di detto scambiatore ad alte prestazioni 1.
La seguente descrizione spiega in ordine: i) funzionalit? e motivazione per l'uso dell'ADS-HX e ii) procedura di produzione dell'ADS-HX con il biopolimero composito.
i) Funzionalit? e motivazione
L'ADS-HX 1 ? un componente che lavora in un processo discontinuo e che esegue il trasferimento di massa e calore nello stesso luogo.
Il principio di funzionamento si basa sull'alternanza di fasi di intrappolamento/rilascio del vapore acqueo (il processo ? chiamato "trasferimento di massa"), combinato con lo scambio termico tra il materiale sorbente 2 e una sorgente di freddo/caldo 6, 8 (il processo ? chiamato "trasferimento di calore").
La co-locazione del trasferimento di calore con il trasferimento di massa porta a tassi pi? elevati di vapore acqueo scambiato tra la miscela di aria e il materiale sorbente 2. L'area di contatto tra il sorbente 2 e il mezzo di scambio termico 4 viene aumentata utilizzando una geometria a nido d'ape, riducendo al minimo le perdite di carico generate durante il flusso d'aria attraverso i canali sorbenti.
Con riferimento alla Figura 1, durante la fase di intrappolamento (detta anche ?fase di adsorbimento?) un flusso di aria umida fluisce attraverso canali realizzati con il polimero sorbente 2.
Nell'area di contatto aria/sorbente il vapore acqueo viene separato dall'aria e immagazzinato all'interno dei pori del polimero igroscopico 2.
Essendo quel processo esotermico, viene rilasciata una notevole quantit? di calore (chiamato ?calore di adsorbimento? ed essendo di circa 2.500 kJ kg<-1>, e comunque inferiore a 50 kJ mol<-1>), aumentando la temperatura di equilibrio sia del sorbente 2 che dell?aria, con conseguente riduzione della velocit? di separazione e cattura del vapore acqueo dall'aria umida. Infatti, come risulta evidente dalla figura 4, spostare l'operazione di adsorbimento verso temperature pi? elevate, significa un ridotto sorbimento di acqua del sorbente all'equilibrio con la citata miscela d'aria.
La presenza di un mezzo di scambio termico 4 d? la possibilit? di rimuovere quel calore di adsorbimento dal materiale assorbente 2, consentendo un processo isotermico o sottoraffreddato, trasferendo il calore di adsorbimento prodotto ad un fluido di raffreddamento, e respingendolo ad un dissipatore di calore esterno ( 20 ?C <Tsink <40 ?C).
Un telaio impermeabile e conduttivo separa il fluido di raffreddamento 6 dal materiale sorbente 2, evitando il bypass dell'acqua e consentendo solo il trasferimento di energia per conduzione termica tra l'assorbente / aria e il vettore di raffreddamento.
Il flusso d'aria in uscita dal canale sorbente ? pi? secco e pi? freddo dell'ingresso, in modo tale da poter essere utilizzato per qualsiasi applicazione di condizionamento dell'aria o processo di essiccazione industriale. Alla fine, quando l'aria in uscita viene trattata attraverso il raffrescamento evaporativo, la configurazione rientra nel caso delle tecnologie di raffreddamento evaporativo essiccante per il condizionamento dell'aria degli edifici. La fase di adsorbimento prosegue fino alla saturazione del mezzo adsorbente (con una temperatura di 30 ? C, gli assorbimenti d'acqua possono essere superiori a 0,7 kgH2O kgsorbente secco<-1>).
Quando viene raggiunta la saturazione, l'ADS-HX 1 passa alla fase di rigenerazione, invertendo la direzione del trasferimento di calore e massa.
Questa volta, il fluido di raffreddamento 6 viene sostituito con un fluido di riscaldamento 8, fornendo calore da una sorgente calda (Thot <100 ?C e preferibilmente intorno a 60 ?C per sfruttare l'energia solare o il calore di scarto dall'industria o dai processi) al materiale sorbente 2.
Ci? fornisce un'energia (2.500-3.000 kJ kg<-1>) alle molecole d'acqua precedentemente intrappolate nei pori del polimero igroscopico 2, attivando un flusso diffusivo di acqua dall'assorbente umido all'aria che scorre nello stesso canale.
Il trasferimento di calore omogeneo, realizzato attraverso un contatto continuo ed esteso tra il sorbente 2 e il telaio conduttivo per lo scambio termico, aumenta e rende pi? veloci i fenomeni di trasferimento dell'acqua.
Il flusso d'aria in uscita ? ora caldo ed estremamente umido, con un punto di rugiada molto elevato tale che la condensa spontanea viene condotta a temperatura ambiente e l'acqua liquida viene raccolta. Se durante questa fase l'ADS-HX viene accoppiato al metodo citato in WO 2019/082000 A1, dalla stessa Richiedente, ? opportuno notare che si ottiene un dispositivo di raccolta dell'acqua migliorato senza l'uso di cicli di refrigerazione o raffreddamento per condensare l'acqua fuori dall'aria e utilizzando energia termica a 60 ? C.
Il processo di rigenerazione continua fino a quando il polimero sorbente 2 raggiunge il suo stato secco.
ii) Procedura di produzione
L'ADS-HX 1 ? realizzato combinando un mezzo di scambio termico aria/liquido o aria/gas 4 con un polimero igroscopico 2, in modo tale che l'elevata area di contatto tra aria/sorbente/mezzo di scambio termico consente una maggiore velocit? di trasferimento del vapore acqueo e dell'energia, con basse perdite di carico lato aria. Il mezzo di scambio termico 4 ? realizzato di un materiale scelto tra materiali metallici, materiale plastico e qualsiasi composito conduttivo.
Il polimero igroscopico 2 ? ottenuto mediante gelificazione ionotropica dell'alginato di sodio, un polisaccaride ampiamente distribuito nelle pareti cellulari delle alghe brune. La prima fase del processo di produzione dell'ADS-HX 1 ? la realizzazione di un gel viscoso contenente i componenti principali del polimero igroscopico, ovvero alginato di sodio e bentonite di calcio.
Il gel viscoso viene preparato miscelando la polvere di alginato di sodio (2% in peso) e bentonite di calcio (4-10% in peso) con acqua deionizzata, fino ad ottenere la completa miscelazione e un fluido omogeneo.
La polvere di bentonite di calcio ? stata sciolta in 1 litro di acqua deionizzata DIW (1-20% in peso) e agitata ad alta velocit? di rotazione per 1 ora (> 700 rpm).
La soluzione viene filtrata pi? volte (mesh finale <5?m) per rimuovere impurit? e particelle non disciolte dalla soluzione liquida acqua/bentonite, alternate a fasi di agitazione a tempo ridotto (10 min e velocit? di rotazione> 700 rpm).
Nella soluzione bentonite/DIW viene aggiunto un gelificante, come il sale sodico dell'acido alginico, entro lo 0,5-4% della concentrazione, e miscelato rapidamente fino alla completa omogeneit? della soluzione.
Il gel viscoso ottenuto viene degasato, sotto vuoto a pressione relativa compresa tra 200-500 mbar per almeno 20 minuti.
Parallelamente si prepara una soluzione DIW/CaCl2 (5-40% in peso di CaCl2), sotto agitazione continua di acqua e sale fino a quando l'uso e la temperatura della soluzione si riducono a temperatura ambiente.
Il gel viscoso e degassato, ovvero la soluzione viscosa e degasata di alginato di sodio/bentonite/DIW, viene iniettato in uno stampo prefabbricato, con la geometria ottimizzata per il processo specifico, ovvero una geometria a nido d'ape.
Quindi, l'intero stampo viene immerso in profondit? nella soluzione DIW/CaCl2 per almeno 12 ore fino alla completa gelificazione.
L'alginato di sodio, che ? un polimero costituito da blocchi ripetitivi di monomeri guluronato e mannuronato, ? l?inizializzatore di un processo di reticolazione che, in presenza di una soluzione ionica con acqua e cationi bivalenti (Ca<+2>, Mg<+2>, eccetera), porta alla gelificazione del fluido viscoso in un idrogel solido.
Durante questo processo, la bentonite riempie lo spazio tra le catene polimeriche e, essendo un'argilla igroscopica con un livello di porosit? molto elevato, aumenta la capacit? di cattura dell'acqua del materiale polimerico composito.
Il processo di reticolazione, trasformando il gel viscoso in un idrogel solido, ? realizzato con una tecnica di gelificazione ionotropica in cui il Na<+>, contenuto come gruppo funzionale nell'alginato, viene scambiato con Ca<+2 >(o uno degli altri citati prima) catione disciolto in una soluzione acquosa.
Avendo il Calcio un numero di valenza pi? elevato, questo ha attivato una reticolazione tra le diverse catene polimeriche dell'alginato, realizzando la cosiddetta ?geometria della scatola delle uova?.
Questo processo viene eseguito all'interno di uno stampo, per modellare l'idrogel nella geometria desiderata.
Le fasi del processo sopra menzionato sono rappresentate schematicamente nella Figura 2, dove ? mostrata la fabbricazione di una geometria a nido d'ape del polimero composito.
Lo stesso approccio pu? essere utilizzato per creare la geometria a nido d'ape direttamente su uno scambiatore di calore, come mostrato nella Figura 3.
La soluzione tecnologica proposta amplifica le potenzialit? evidenziate nel precedente dispositivo di raccolta dell'acqua atmosferica descritto nella domanda internazionale pubblicata al n. WO 2019/082000 A1 della stessa Richiedente.
Caratteristiche innovative della presente invenzione derivano dalla combinazione del nuovo polimero igroscopico innovativo all'interno di un dispositivo di trasferimento di calore e / o un mezzo conduttore di calore.
Il risultato finale ? un componente caratterizzato da assorbimenti d'acqua molto elevati in un ampio spettro di ambienti operativi, bassa temperatura di rigenerazione, alta velocit? di rigenerazione grazie al maggiore contatto tra il materiale e il mezzo dello scambiatore di calore.
Molti cicli di intrappolamento/rigenerazione dell'umidit? al giorno possono essere eseguiti a una temperatura intorno ai 60 ?C, grazie alle propriet? di sorbimento dell'idrogel composito.
Con riferimento alla figura 4, viene mostrato il principale vantaggio ottenuto, ovvero gli elevati assorbimenti d'acqua, ottenuto con la presente invenzione.
Il grafico della Figura 4 mostra la capacit? di assorbimento d'acqua del polimero a diverse temperature e pressioni del vapore acqueo in equilibrio.
Durante la fase di adsorbimento (operata a temperatura compresa tra 20-35 ?C e pressione del vapore acqueo compresa tra 0,6-1 kPa, tipica di un ambiente secco) la raccolta di acqua pu? raggiungere valori fino a 0,8 kgH2O kgsorbente secco<-1 >(la raccolta di acqua del gel di silice, il materiale igroscopico pi? comune, a parit? di condizioni operative ? del 10-15%. Altri materiali innovativi come MOF mostrano una raccolta massima di acqua, nelle stesse condizioni operative di 0,2-0,3 kgH2O kgsorbente secco<-1 >come mostrato in US10640954B2).
La rigenerazione pu? essere effettuata a temperature fino a 60 ?C, che possono ridurre il contenuto di acqua fino a 0,1 kgH2O kgsorbente secco<-1 >anche quando la temperatura ambiente ? di 35 ?C, e la pressione minima raggiungibile con un ciclo di raccolta dell'acqua su questo materiale per condensare il vapore acqueo rilasciato a temperatura ambiente ? di 5,6 kPa. In questa condizione nessun materiale di riferimento pu? rilasciare vapore a pressione superiore a questo valore, richiedendo la necessit? di una fonte ausiliaria di freddo per condurre cicli completi di raccolta dell'acqua in queste condizioni e un bisogno ausiliario di energia elettrica ed energia. La quantit? totale di acqua ottenuta da un ciclo completo di adsorbimento/rigenerazione alle condizioni menzionate ? equivalente allo 0,7 kgH2O kgsorbente secco<-1 >di variazione di massa come illustrato nella Figura 4.
La soluzione sfrutta anche la buona densit? del polimero (650 kgsorbente secco m<-3>), aumenta la densit? specifica totale di una macchina basata su questo componente. ? infatti possibile estrarre fino a 480 litri di acqua per metro cubo di composito, fornendo acqua a una piccola comunit? di persone fino a 32 persone al giorno (WASH-UNICEF stabilisce un fabbisogno minimo di 15 litri di acqua fresca a persona per il bere, cucinare e lavare igienicamente quotidiani, nel contesto dell'obiettivo di sviluppo sostenibile 6)
Queste propriet? migliorate sono ottenute grazie all'elevata porosit? interna e all'elevata estensione della superficie interna del polimero composito per immagazzinare l'acqua intrappolata, come mostrato nelle immagini SEM nella Figura 5.
Con riferimento alle Figure 6A e 6B, viene mostrata e commentata la stabilit? del rivestimento.
Il rivestimento sulla superficie dello scambiatore di calore HX ? realizzato pi? attraverso un effetto meccanico che un collegamento chimico tra il materiale dell'HX e il polimero.
Ci? ? ottenuto grazie all'effetto di pressione generato dalla termoretrazione del polimero, durante la fase di essiccazione successiva allo stampaggio.
Il rivestimento completa il processo di produzione dello scambiatore di calore. Ci? ? ottenuto grazie all'effetto tensionante generato dalla contrazione termica del polimero in fase di maturazione, completando il processo di fabbricazione dello scambiatore di calore. Subito dopo la gelificazione ionotropica il polimero si trova in uno stato super idratato, che termina una volta che il materiale ? stato polimerizzato a temperatura compresa tra 70-90 ? C per 12 ore. Durante la polimerizzazione, il polimero mostra un restringimento volumetrico consistente, come evidenziato nel grafico di Figura 6B, che dipende dalla concentrazione di CaCl2, con valori prossimi al 90% del volume iniziale per concentrazioni di CaCl2 inferiori al 10%. Questa riduzione del volume crea uno stress permanente nel materiale, portando alla coesione sulla superficie dell'HX. Questo tipo di adesione ? considerato come una soluzione migliorata rispetto ai tipici rivestimenti di materiale sorbente rispetto a materiali termoconduttivi (es. metalli) operati tramite leganti chimici, perch? non dovrebbe soffrire dei problemi di degradazione tipici dei metodi di rivestimento eseguiti con leganti chimici. Infatti questi subiscono tipicamente l'idratazione dell'acqua; formazione di crepe per sollecitazioni sulla struttura interna sottoposta a rapidi cicli di riscaldamento/raffreddamento; essendo inerte rispetto all'acqua, la composizione finale del legante pi? il sorbente determina un ridotto assorbimento d'acqua proporzionalmente al rapporto tra legante/sorbente; ci? ? discusso in 1) Kalmutzki, M. J .; Diercks, C. S .; Yaghi, O. M. Metal?Organic Frameworks for Water Harvesting from Air. Advanced Materials. Wiley-VCH Verlag September 13, 2018. https://doi.org/10.1002/adma.201704304.
2) A.Freni, L.Bonaccorsi, L.Calabrese, A.Capr?, A.Frazzica, A.Sapienza. SAPO-34 coated adsorbent heat exchanger for adsorption chillers, Applied Thermal Engineering, Vol.82,2015,pg.1-7,https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.02.052.
La presente invenzione propone un metodo per creare l'adesione meccanica tra il sorbente e il mezzo per lo scambio termico basato sulla contrazione termica del sorbente stesso. Ci? si realizza attraverso la polimerizzazione del materiale dopo il processo di gelificazione. L'acqua espulsa durante la polimerizzazione ha ridotto le distanze tra le diverse catene parallele del biopolimero, riducendo il volume dell'intero composito, e aumentando la concentrazione di ioni bivalenti diluiti con acqua nell'idrogel. Questo aumenta ulteriormente la reticolazione intra-catena del polimero che, rimanendo stabile dopo l'indurimento, crea uno strato aderente attorno alla struttura solida dello scambiatore di calore come illustrato nella Figura 6A.
Questo tipo di adesione non soffre dei problemi di degradazione tipici del processo di rivestimento eseguito con leganti chimici, ed ? realizzato attraverso un materiale che ? esso stesso un sorbente.
Lo scambiatore di calore ad adsorbimento secondo un aspetto della presente invenzione, indipendente e utilizzabile in modo autonomo rispetto agli altri aspetti dell'invenzione, comprende un biopolimero composito igroscopico 2, un mezzo di scambio termico 4 a contatto con detto biopolimero composito igroscopico 2 e un condotto a contatto con detto mezzo di scambio termico 4, nel quale vengono alternativamente fatti passare un fluido refrigerante 6 o un fluido riscaldante 8.
Il biopolimero composito igroscopico 2 comprende alginato di sodio e bentonite di calcio in un rapporto predeterminato, il mezzo di scambio termico 4 ha una geometria a nido d'ape in modo che lo scambiatore di calore ad adsorbimento 1 possa funzionare a temperature ambiente elevate e condizioni di bassa umidit? relativa, tipiche dei climi aridi.
Preferibilmente, il rapporto predeterminato tra alginato di sodio e bentonite di calcio ? compreso tra 1: 1 e 1:10; pi? preferibilmente, il rapporto predeterminato tra alginato di sodio e bentonite di calcio ? 1: 1 - 1: 2.
Preferibilmente, l'alginato di sodio ha una concentrazione compresa tra lo 0,5 e il 4% dell'intera massa dell'idrogel come allo stato sovrasaturo.
Preferibilmente, la geometria a nido d'ape ha una dimensione delle celle compresa tra 3-5 mm, con una distanza perpendicolare tra le celle non maggiore della met? della dimensione delle celle. Questa geometria ? inserita tra due elementi per il trasferimento del calore, costituenti la base ripetuta dello scambiatore di calore ad adsorbimento come mostrato in Figura 3. Forma e sezione dei tubi dello scambiatore di calore possono essere differenti da quanto mostrato, senza cambiare la caratteristica intrinseca della configurazione. Lo stesso vale per l'utilizzo di alette conduttive per aumentare la superficie del mezzo di scambio termico, o di materiali diversi per il mezzo di scambio termico.
Secondo un altro aspetto della presente invenzione, indipendente e utilizzabile autonomamente rispetto agli altri aspetti dell'invenzione, e facendo riferimento alla Fig. 7, viene qui descritto un dispositivo 10 di raccolta dell'acqua atmosferica risultante dall'accoppiamento della presente invenzione con un ciclo di raccolta dell'acqua. Il dispositivo 10 di raccolta dell'acqua atmosferica ? tale da poter fornire acqua dolce in regioni del mondo in cui la scarsit? di acqua fisica e/o economica costringe le persone a trovare soluzioni alternative per l'accesso all'acqua.
Preferibilmente, il dispositivo di raccolta dell'acqua atmosferica 10 ? quello descritto nella domanda internazionale pubblicata al n. WO 2019/082000 A1 della stessa Richiedente.
Il dispositivo 10 di raccolta dell'acqua atmosferica comprende almeno uno scambiatore di calore ad adsorbimento 1 come descritto sopra, o altrimenti composto da pi? moduli collegati in serie o in parallelo come mostrato in Figura 7.
Secondo un altro aspetto della presente invenzione, indipendente e utilizzabile in modo autonomo rispetto agli altri aspetti dell'invenzione, viene qui descritto un processo per produrre uno scambiatore di calore ad adsorbimento 1.
Il processo per produrre uno scambiatore di calore ad adsorbimento 1 comprende le seguenti fasi:
- preparare un biopolimero composito igroscopico 2 realizzando un gel viscoso contenente i componenti principali del polimero igroscopico 2, ovvero alginato di sodio e bentonite di calcio in un rapporto predeterminato (fase 100);
- preparare un mezzo di scambio termico 4 avente geometria a nido d'ape e metterlo a contatto con detto biopolimero composito igroscopico 2 (fase 101),
- preparare un condotto cavo e metterlo a contatto con detto mezzo di scambio termico 4 (fase 102), ed iniettare la soluzione viscosa fino a che, dopo una procedura di degasaggio come illustrato in precedenza, tutti gli spazi vuoti siano riempiti con il gel. Quindi, infine, guidare il processo di gelificazione attraverso l'immersione profonda nella soluzione di ioni bivalenti/acqua
- far passare alternativamente in detto condotto cavo o un fluido refrigerante 6 o un fluido riscaldante 8 (fase 103).
Di seguito vengono descritti in dettaglio lo scambiatore di calore ad adsorbimento ed il suo processo di produzione secondo la presente invenzione, nonch? la loro efficacia, con riferimento ai seguenti Esempi, che sono stati sviluppati sulla base di prove sperimentali e sono da intendersi illustrativi ma non limitativo della presente invenzione.
Esempio 1
In una configurazione dell'ADS-HX, il rapporto tra la sezione totale delle celle e dell'ADS-HX ? prossimo al 70%, con una correlata caduta di pressione lato aria inferiore a 1 Pa cm<-2>, con una velocit? media dell'aria flusso a 1 m s<-1>. Lo spessore di ADS-HX ? di 15 mm, contenente ~ 7 kg di sorbente secco per m<2 >di ADS-HX. I canali dei tubi hanno una geometria di forma rettangolare con sezione 1x8 mm, e uno spessore massimo del canale di 1 mm, consentendo il buon deflusso dell'acqua a temperatura ambiente nel caso di fase di adsorbimento (~ 30 ?C), oppure alla temperatura di rigenerazione ( ~ 60 ?C) in caso di fase di rigenerazione. Secondo prove sperimentali, il sistema richiede 2,5 minuti, a 1 m s<-1 >di velocit? del flusso d'aria e 60 litri min<-1 >di flusso di acqua calda, per raggiungere la temperatura di equilibrio (60 ?C) per l'attivazione della fase di rigenerazione, come mostrato in Figura 8. In questa configurazione il flusso d'aria ? sufficientemente elevato da ridurre le resistenze per il trasferimento di massa solo ai meccanismi di diffusione attraverso catene di alginato. In queste condizioni di prova, le prestazioni dello scambiatore di calore sono mostrate nella Figura 9A e nella Figura 9B. Un singolo passaggio di aumento dell'assorbimento di acqua, corrispondente a 0,25 gH2O gsorbente secco<-1>, viene eseguito sull'ADS-HX in circa 30 minuti come mostrato nella Figura 9 A, dove il tempo per raggiungere l'equilibrio ? rappresentato sull'umidit? relativa del aria dell?ambiente, a 30 ?C. Dopo 30 minuti tutte le curve diventano piatte avendo raggiunto l'equilibrio corrispondente rispettivamente ad un assorbimento di acqua di 0,25, 0,5, 0,75, 1 gH2O gsorbente secco<-1>, come mostrato anche in Figura 9B. Ci? significa che un ADS-HX con ~ 7 kg intrappola 3,5 litri di acqua in meno di un'ora e richiede la stessa quantit? di tempo per essere rigenerato, raccogliendo l'acqua come divulgato in WO 2019/082000 A1 dalla stessa Richiedente, e una temperatura di rigenerazione di 60 ?C.
Se il sistema ? alimentato con energia solare, eseguir? facilmente 2-3 cicli al giorno e se il sistema di raccolta dell'acqua atmosferica ? organizzato come descritto in WO 2019/082000 A1, con due ADS-HX che lavorano in modalit? discontinua, una produzione di 21 litri si ottiene in sei ore di funzionamento giornaliero, con un consumo energetico non superiore a 1 kWhth litro<-1>.
Se il sistema ? alimentato con una fonte di calore pi? stabile, come il calore disperso da un processo o dall'industria con un programma di 24 ore al giorno, ? possibile eseguire 12 cicli al giorno su un singolo ADS-HX e se il sistema di raccolta dell'acqua atmosferica ? predisposto come divulgato in WO 2019/082000 A1, con due ADS-HX che lavorano in modalit? discontinua, una produzione giornaliera di 84 litri.
Lo scambiatore di calore ad adsorbimento e il suo processo di produzione secondo la presente invenzione vengono confrontati con soluzioni note, come di seguito descritto.
[Rif # 1] ? un esperimento di adsorbimento/rigenerazione su MOF-801 eseguito sia in condizioni di laboratorio (camera ambientale a UR con simulazione solare) che all'aperto; [Rif # 2] ? un'altra configurazione del prototipo basato su MOF-801 e dotato di una lente ottica per concentrare la radiazione solare; [Rif # 3] ? un prototipo basato su MOF 303 e alimentato con pannelli solari fotovoltaici per rigenerare il materiale assorbente con una resistenza elettrica; [Rif # 4] ? un dispositivo passivo per la raccolta dell'acqua attivato con l'energia solare e che utilizza un composito costituito da una matrice di contenimento con il setaccio molecolare MCM-41 impregnato con CaCl<2 >entro il 30-60% della concentrazione; [Rif # 5] ? un prototipo dotato di un letto impaccato comprendente una fibra di carbonio impregnata con CaCl<2 >e rigenerata con essiccazione ad aria calda, riscaldata da un collettore d'aria solare; In [Rif # 6] si sperimenta la variazione di peso di tre diversi sali anidri (CuCl2, CuSO4, MgSO4) tra lo stato completamente secco e saturo, utilizzando la radiazione solare diretta come sorgente libera per la rigenerazione del sale; [Rif # 7] mostra le prestazioni di un altro idrogel, a base di Poliacrilammide-CaCl2 arricchito con nanotubi di carbonio per catturare direttamente la radiazione solare, convertirla in calore direttamente sulla superficie del sorbente, quindi rigenerare direttamente il sorbente. Il prototipo mostrato in [Ref # 8] ? costituito da un cilindro rotante, con un rivestimento contenente una nano sfera di carbonio cava, impregnato di LiCl, e rigenerato con un flusso solare di 0,8-1,2 kW m<-2>.
I risultati del confronto tra la presente invenzione e le soluzioni note sono riassunti nella tabella sottostante.
TABELLA
[Rif # 1] 1)Kim H, Yang S, Rao SR, Narayanan S, Kapustin EA, Furukawa H, et al. Water harvesting from air with metal-organic frameworks powered by natural sunlight. Science (80- ) 2017;356:430?4. doi:10.1126/science.aam8743.
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[Rif # 4] Ji JG, Wang RZ, Li LX. New composite adsorbent for solar-driven fresh water production from the atmosphere. Desalination 2007;212:176?82. doi:10.1016/j.desal.2006.10.008.
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[Rif # 6] Li R, Shi Y, Shi L, Alsaedi M, Wang P. Harvesting Water from Air: Using Anhydrous Salt with Sunlight. Environ Sci Technol 2018;52:5398?406. doi:10.1021/acs.est.7b06373.
[Rif # 7] Li R, Shi Y, Alsaedi M, Wu M, Shi L, Wang P. Hybrid Hydrogel with High Water Vapor Harvesting Capacity for Deployable Solar-Driven Atmospheric Water Generator. Environ Sci Technol 2018;52:11367?77. doi:10.1021/acs.est.8b02852.
[Rif # 8] Li R, Shi Y, Wu M, Hong S, Wang P. Improving atmospheric water production yield: Enabling multiple water harvesting cycles with nano sorbent. Nano Energy 2020;67:104255. doi:10.1016/j.nanoen.2019.104255.
La suddetta tabella mostra le informazioni pi? importanti per il confronto dell'invenzione descritta in questo documento, con la letteratura di riferimento. Il confronto viene effettuato verificando le informazioni sulle condizioni ambientali durante l'adsorbimento; l'assorbimento di acqua ottenuto durante la fase di adsorbimento; la temperatura di rigenerazione; la variazione della raccolta di acqua tra la fine dell'adsorbimento e la fine della rigenerazione. Tutti i riferimenti in tabella hanno mostrato prestazioni di adsorbimento con una condizione di punto di rugiada superiore ai requisiti minimi indicati dal biopolimero composito qui descritto. Si ottiene infatti un notevole assorbimento di acqua (0,15 gH2O gsorbente secco<-1>) anche con un punto di rugiada (Trugiada in tabella) di 0,6 ?C (equivalente ad una temperatura di bulbo secco di 30 ?C ed un'umidit? relativa del 15%), caratteristiche difficilmente raggiungibili con gli altri materiali.
Nella quasi totalit? dei riferimenti la variazione di raccolta d'acqua tra la fine dell'adsorbimento e la fine della rigenerazione, il parametro identificato con la colonna ?w in tabella, ? inferiore a quanto ottenuto in questa descrizione alle diverse condizioni di umidit? relativa. Inoltre, i tempi necessari per l'adsorbimento e la rigenerazione sono molto pi? alti (3-4 volte) rispetto a quanto sperimentato con la configurazione ADS-HX, descritto in questo documento. Infine, in quasi tutti i riferimenti, la rigenerazione ? condotta a temperature molto superiori a 60 ?C, come l'esperienza con la configurazione ADS-HX descritta in questo documento.
Come si evince da quanto sopra descritto, l'innovativa soluzione tecnica qui descritta presenta le seguenti vantaggiose caratteristiche:
- grande capacit? di raccolta di acqua nei climi secchi, in particolare di raccolta di acqua del 70% - su base secca - ottenibile con un ambiente di 20-30 ? C e 1 kPa di pressione del vapore acqueo;
- biocompatibilit?, grazie al fatto che il processo di produzione del materiale sorbente nella sua configurazione finale non prevede l'utilizzo di composti tossici; per il processo produttivo sono necessari solo prodotti chimici di grado alimentare, eliminando ogni rischio di contaminazione dell'acqua liquida prodotta e/o dell'aria condizionata;
- significativo miglioramento delle prestazioni rispetto agli attuali approcci commerciali impiegati per la cattura del vapore acqueo;
- rispondere alla crescente domanda di soluzioni affidabili, sostenibili ed economiche per fornire acqua dolce anche in aree remote;
- cicli rapidi di intrappolamento/rigenerazione dell'acqua;
- materie prime economiche e disponibili industrialmente;
- producibilit? mediante stampaggio ad iniezione: prima della solidificazione attraverso il processo di gelificazione, il sorbente ed i suoi costituenti si presentano sotto forma di un fluido viscoso; ci? facilita l'iniezione del fluido prima in uno stampo, guidando successivamente la gelificazione a temperatura e pressione ambiente, creando la forma finale desiderata dell'idrogel;
- applicazione dello stesso processo nel rivestimento profondo sulla superficie per lo scambio termico di vari substrati (es. alluminio, rame, materiali polimerici, eccetera); - fabbricazione del materiale in un modo che pu? essere facilmente ridimensionato; il processo di produzione sia del materiale che del componente non richiede particolari sforzi per la costruzione di uno specifico ambiente produttivo e questo porta ad una riduzione dei costi per la produzione del materiale e del componente;
- processo di facile scalabilit?, basso costo e funzionalizzazione rapida per la produzione di scambiatori superando gli inconvenienti delle precedenti tecniche proposte;
- adatto per essere eseguito in qualsiasi condizione climatica.
Pertanto, l'invenzione qui descritta presenta un miglioramento significativo rispetto agli attuali approcci commerciali impiegati per la cattura del vapore acqueo dall'aria ambiente anche a temperature ambiente elevate e condizioni di bassa umidit? relativa, tipiche dei climi aridi, e, inoltre, risponde a la crescente domanda di soluzioni altamente efficienti ai fini sia della raccolta dell'acqua atmosferica che del condizionamento dell'aria.
Da quanto sopra descritto risulta chiaro, quindi, che lo scambiatore di calore ad adsorbimento ed il suo processo produttivo come sopra descritto consentono di raggiungere gli scopi proposti.
? altrettanto evidente, al tecnico del ramo, che alla soluzione descritta con riferimento alle figure allegate possono essere apportate modifiche e varianti, senza per questo uscire dall'insegnamento della presente invenzione e dall'ambito come definito nelle rivendicazioni allegate.
Claims (10)
1. Scambiatore di calore ad adsorbimento (1) comprendente:
- un biopolimero composito igroscopico (2),
- un mezzo di scambio termico (4) a contatto con detto biopolimero composito igroscopico (2), e
- un condotto cavo a contatto con detto mezzo di scambio termico (4), nel quale viene fatto passare alternativamente un fluido refrigerante (6) o un fluido riscaldante (8)
Caratterizzato dal fatto che:
- detto biopolimero composito igroscopico (2) comprende alginato di sodio e bentonite di calcio in un rapporto predeterminato,
e dal fatto che
- detto mezzo di scambio termico (4) ha una geometria a nido d'ape,
in modo che detto scambiatore di calore ad adsorbimento (1) possa funzionare in condizioni di elevate temperature ambiente e di bassa umidit? relativa, tipiche dei climi aridi.
2. Scambiatore di calore ad adsorbimento (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detto rapporto predeterminato tra alginato di sodio e bentonite di calcio ? compreso tra 1: 1 e 1:10.
3. Scambiatore di calore ad adsorbimento (1) secondo la rivendicazione 2, in cui detto rapporto predeterminato tra alginato di sodio e bentonite di calcio ? 1: 1-1: 2.
4. Scambiatore di calore ad adsorbimento (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'alginato di sodio ha una concentrazione compresa tra 0,5 e 4% dell'intera massa dell'idrogel come nello stato sovrasaturo.
5. Scambiatore di calore ad adsorbimento (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta geometria a nido d'ape ha una dimensione della cella che varia fra 3-5 mm, con una distanza perpendicolare intercellulare non maggiore della met? della dimensione della cella. Questa geometria ? inserita tra due elementi per il trasferimento del calore, costituenti la base ripetuta dello scambiatore di calore ad adsorbimento.
6. Un dispositivo di raccolta dell'acqua atmosferica (10) comprendente almeno uno scambiatore di calore ad adsorbimento (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in modo che detto dispositivo di raccolta dell'acqua atmosferica (10) possa fornire acqua dolce in regioni del mondo in cui la scarsit? idrica economica e/o fisica costringe le persone a trovare soluzioni alternative per l'accesso all'acqua.
7. Processo per produrre uno scambiatore di calore ad adsorbimento (1) comprendente le seguenti fasi:
- preparare un biopolimero composito igroscopico (2) realizzando un gel viscoso contenente i componenti principali del polimero igroscopico (2), ovvero alginato di sodio e bentonite di calcio in un rapporto predeterminato (fase 100);
- preparare un mezzo di scambio termico (4) avente una geometria a nido d'ape e metterlo a contatto con detto biopolimero composito igroscopico (2) (fase 101), - preparare un condotto cavo e metterlo a contatto con detto mezzo di scambio termico (4) (fase 102), e
- far passare alternativamente in detto condotto cavo un fluido refrigerante (6) o un fluido riscaldante (8) (fase 103).
8. Processo secondo la rivendicazione 7, in cui il gel viscoso viene preparato mescolando la polvere di alginato di sodio (2% in peso) e bentonite di calcio (4-10% in peso) con acqua deionizzata, fino a completa miscelazione e una omogenea si ottiene fluido.
9. Processo secondo la rivendicazione 8, in cui il gel viscoso viene degasato, sotto vuoto a pressione relativa compresa tra 200-500 mbar per almeno 20 minuti.
10. Processo secondo la rivendicazione 9, in cui il gel viscoso e degassato viene iniettato in uno stampo prefabbricato con geometria a nido d'ape e lo stampo viene immerso in profondit? in una soluzione di acqua deionizzata / CaCl2 per almeno 12 ore fino a completa gelificazione.
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