Analisi numerica e sperimentale delle prestazioni di un evaporatore sottovuoto a pompa di calore operante con diversi refrigeranti

In numerosi settori industriali il trattamento delle acque reflue derivanti dai processi di produzione è un tema di estrema importanza. Esso ha l’obiettivo di separare la parte solida costituita da inquinanti dalla parte acquosa, permettendo di ottenere un refluo concentrato da smaltire e una portata d’acqua distillata che può essere riutilizzata. L’evaporazione sottovuoto a pompa di calore è una delle tecnologie attualmente disponibili sul mercato per la compattazione delle acque reflue: un sistema sottovuoto opera mediante una pompa di calore, in cui il condensatore cede al refluo il calore necessario all’evaporazione della parte acquosa e l’evaporatore sottrae il calore necessario alla sua condensazione. Il processo di evaporazione e condensazione del distillato avviene in una camera la cui pressione è mantenuta costante da un eiettore, esso garantisce non solo il mantenimento della pressione in camera ma anche la corretta rimozione del condensato prodotto. L’obiettivo di questa tesi è valutare sperimentalmente, attraverso un prototipo opportunamente strumentato, il funzionamento e le prestazioni di un evaporatore sottovuoto al variare del livello di pressione. I dati sperimentali raccolti sono stati utilizzati per validare un modello matematico del circuito a pompa di calore ed investigarne numericamente la fattibilità operando con diversi refrigeranti a basso GWP. Nel primo capitolo sono illustrati i principali refrigeranti utilizzati nelle pompe di calore, presentandone anche i criteri di classificazione e gli attuali vincoli ambientali. Nel secondo capitolo sono presentate le principali tecnologie per il trattamento delle acque reflue presenti nel mercato ed è spiegato il funzionamento di un evaporatore sottovuoto a pompa di calore. Nel terzo capitolo è illustrato l’apparato sperimentale utilizzato per le misure sulla macchina operante con R513A, descrivendo gli strumenti di misura, il sistema di acquisizione, il metodo adottato per la riduzione dei dati e i risultati ottenuti. In particolare viene descritto un nuovo metodo per la misura della temperatura e della portata di aria nel post-condensatore a batteria alettata utilizzato sia per completare la condensazione che per sottoraffreddare il refrigerante. Nel quarto capitolo viene descritto in dettaglio il modello numerico utilizzato per simulare il funzionamento completo del circuito pompa di calore. Una volta validato contro i dati sperimentali raccolti, tale modello, è stato adattato per valutare le prestazioni con diversi refrigeranti. Nel quinto capitolo viene effettuato uno studio di fattibilità al fine di valutare le possibili prestazioni di un ciclo operante con CO2 paragonate con quelle ottenute con R513A.