Solution Energy Machine: ciclo frigorifero innovativo ad effetto calorico ionico con soluzione a concentrazione variabile

Creating cooling systems that are both highly efficient and compatible with refrigerants that have low global-warming impact represents a major challenge in addressing climate change. Vapor-compression technology dominates refrigeration. Technologies based on caloric effects such as magnetocaloric and electrocaloric cooling offer potential solutions, but they typically need strong external fields while providing only modest performance and limited adiabatic temperature shifts. This thesis examines the potential of an innovative thermodynamic cycle, the Solution Energy Machine (SEM), which can operate either as a refrigeration system or a power-generation cycle by exploiting controlled concentration variations in liquid solutions. The work first presents the mathematical formulation of both the ideal SEM cycle with externally imposed concentration gradients and the real cycle, in which such gradients are produced through electrodialysis extractors. In refrigeration mode, the analysis shows that the real cycle can achieve the efficiency of the ideal cycle and approach the Carnot limit when a two-stage extraction process is employed. The second part validates the theoretical model using the thermophysical properties of lithium bromide/water solutions and estimates practical performance, predicting efficiencies of 98–99.9% of the Carnot EER under ideal component behaviour and energy-balance deviations within ±0.08%. The final section outlines a prototype design and discusses its key components, indicating the feasibility of the system for applications such as data centre cooling, as well as its capability to operate in free-cooling mode or to generate electricity under favourable ambient conditions. Overall, the SEM cycle may represent a potentially viable alternative to conventional vapor-compression systems, given its near-Carnot theoretical performance and its possible ability to generate electrical power under specific operating conditions.

La progettazione di sistemi di raffreddamento altamente efficienti e compatibili con refrigeranti a basso impatto sul riscaldamento globale rappresenta una sfida importante nella lotta ai cambiamenti climatici. La tecnologia a compressione di vapore domina il settore della refrigerazione. Le tecnologie basate sugli effetti calorici, come il raffreddamento magnetocalorico ed elettrocalorico, offrono potenziali soluzioni, ma in genere richiedono campi esterni potenti, fornendo al contempo prestazioni modeste e variazioni di temperatura adiabatiche limitate. Questa tesi esamina il potenziale di un ciclo termodinamico innovativo, la Macchina Energetica a Soluzione (SEM), che può operare sia come sistema di refrigerazione sia come sistema di generazione di energia elettrica, dallo sfruttamento di variazione controllate in soluzioni liquide. Il lavoro prima presenta la formulazione matematica sia del ciclo ideale, in cui il gradiente viene imposto genericamente da un lavoro esterno, sia dal ciclo cosiddetto ionico reale, in cui il lavoro necessario alla separazione del soluto dal solvente viene prodotto da estrattori tramite elettrodialisi. Nella modalità raffreddamento, l'analisi matematica mostra che il ciclo reale può raggiungere l'efficienza del ciclo reale e avvicinarsi al rendimento di Carnot quando viene impiegato un doppio stadio di estrattori. La seconda parte valida il modello teorico, usando le proprietà della soluzione acqua e bromuro di litio (abbondanti in letteratura) e stima, nell'assunzione di componenti con efficienza ideale, un'efficienza pari al 98-99,9% dell'EER di Carnot; il bilancio energetico del ciclo ha un errore del +-0.08%. La sezione finale propone il design di un prototipo e discute dei principali componenti, indicando la fattibilità del sistema per applicazioni come il raffreddamento dei data centre, in quanto capace anche di operare in free cooling o per generare energia, in base alle condizioni esterne. Il ciclo a soluzione (SEM) potrebbe rappresentare una alternativa praticabile ai sistemi convenzionali a compressione di vapore, tenendo conto del rendimento teorico vicino a quello di Carnot e la possibilità di generare energia elettrica sotto specifiche condizioni operative.