Caratteristiche Tecniche

UNITA' SOLARI MODULARI PER DISSALAZIONE E POTABILIZZAZIONE

INTRODUZIONE

La disponibilità di semplici impianti solari in grado di dissalare e rendere potabile l'acqua marina rappresenta una importante opportunità per piccole comunità nei Paesi in via di sviluppo.
Quello che vogliamo illustrare e' un sistema modulare che permette di produrre con sistemi assolutamente "facili" una certa quantità d'acqua assolutamente sicura dal punto di vista igienico e sanitario, ovunque vi sia disponibilità di acqua marina, lacustre od altro, anche se fortemente inquinata.
Questo progetto si e' sviluppato nel corso di uno degli ultimi viaggi in Estremo Oriente, dove si sono affrontate diverse tematiche, tutte legate alla necessita' dell'acqua e dell'utilizzo delle energie alternative.
Rappresentanti del mondo della ricerca e di Enti di paesi del Sud Est asiatico vedrebbero sotto una luce ottimale, un accordo quadro con esponenti similari italiani.
Nb. si e' scelta in primis tali aree proprio per i contatti da lunghi anni tenuti con collaboratori e referenti di dette regioni. Tra i molti argomenti trattati ha assunto particolare rilievo la desalinizazione dell'acqua marina per fornire acqua potabile alla migliaia di piccole isole dell'arcipelago filippino e non solo, che hanno molto sofferto con le ultime calamità naturali, dove vivono comunità che DEVONO essere fornite con navi cisterna.
Proprio partendo da uno studio da noi seguito - anche giornalisticamente parlando - di un impianto solare termico, qui di seguito illustriamo un progetto semplificato e relativamente poco costoso, che permetterebbe di sfruttare ed armonizzare i costi di sviluppo dell'impianto.
NOTA BENE
Questo sistema è ancor più efficiente per depurare e sterilizzare acque non saline, anche altamente inquinate da cariche batteriche, amebe ed altre forme biologiche nocive alla salute. Se consideriamo un minimo vitale di 5 -10 litri di acqua potabile al giorno per persona, possiamo alimentare piccole comunità con uno o più moduli il cui costo e' veramente contenuto e quindi affrontabile da economie deboli, purché vi sia il sole.

CARATTERISTICHE DEL SISTEMA

1.1. Definizione della taglia ottimale
La dimensione minima del sistema proposto e' tale da soddisfare il fabbisogno di almeno un centinaio di persone che con gli standard dei paesi in via di sviluppo corrispondono a circa 1000-1500 litri al giorno.
Da un punto di vista della convenienza tecnico economica si suggerisce conveniente adottare una dimensione minima leggermente superiore.
Le dimensioni di un modulo saranno in ogni caso tali da consentire un agevole trasporto con pochi autocarri dividendolo in più parti facilmente assemblabili.
Il contenuto tecnologico dell'unità di dissalazione sarà limitato e non sarà necessaria energia elettrica per il suo funzionamento; mentre viene privilegiata la durata e l'affidabilità dell'apparato.
E' infine essere adottata una tecnologia costruttiva semplice in grado di consentire una produzione di serie a costi limitati da parte di paesi a limitato livello di sviluppo tecnologico.

1.2. Definizione di limiti minimi di rendimento
I limiti dimensionali e di costo accennati, impongono limiti alla superficie di captazione dell'energia solare a valori dell'ordine di 80 mq, la potenza termica di conseguenza risulta anch'essa limitata a valori dell'ordine di 80 di kW. Il processo di evaporazione dell'acqua richiede circa 2500 kJ/kg quindi la portata prodotta da un impianto con potenza termica di 80 kW considerando un rendimento del 60-70 %, in un sistema a 3 stadi risulta essere circa 2.500 litri/giorno.


DESCRIZIONE DEL CIRCUITO
Il modulo proposto si basa su un sistema captante costituito da 8 eliostati con sezione parabolica e sviluppo lineare con dimensioni indicative di 1.5 * 6.5 m per una superficie t unitaria di 10 m2 e totale di 80 m2.
Nel fuoco degli eliostati saranno posizionati i ricevitori in semplice tubo metallico con diametro
di 40-50 mm inserito in un filtro ottico per la riduzione dell'emissione di infrarosso termico.
Il tubo ricevitore è collocato nel fuoco dell'eliostato e l'impianto sarà posizionato con un'inclinazione corrispondente alla latitudine del sito.
La movimentazione degli specchi a sezione parabolica potrà avvenire con un semplice e robusto meccanismo a carica in grado di imprimere una rotazione ogni 24 ore, oppure con un sistema elettrico assistito da un piccolo pannello fotovoltaico.
L'energia termica raccolta è in grado di operare l'evaporazione in tre stadi posti in serie ottenendo un effetto di moltiplicazione dell'efficienza.
I tubi ricevitori sono inseriti idraulicamente nel primo stadio di evaporazione che opererà a pressione di circa 3.6 - 4 bar e temperatura di circa 140 °C.
Il primo stadio è costituito da un circuito chiuso che fa capo ad un serbatoio di ebollizione posizionato ad alcuni metri (3-4 ) oltre la sommità dei tubi ricevitori. Il serbatoio è collegato con due tubi alla sommità ed alla base della batteria di tubi ricevitori.
All'interno del circuito costituito da serbatoio, tubi ricevitori e tubi di collegamento, è immessa acqua marina con continuità tramite una steam jet pump (pompa a getto)
Il riscaldamento prodotto nei tubi ricevitori determina una circolazione naturale dell'acqua, che innalzandosi di quota per raggiungere il serbatoio, raggiunge la pressione di saturazione a causa della diminuzione del battente idrostatico soprastante e quindi libera vapore.
Il vapore si raccoglie nella sommità del serbatoio e può essere estratto.
Il fatto che la formazione di vapore inizia nel tratto ascendente verso il serbatoio e quindi a valle del ricevitore, separa fisicamente il momento in cui avviene la cessione di energia termica all'acqua dal momento in cui avviene la formazione di vapore e questa separazione limita la formazione di depositi salini lungo le pareti scambianti.
Praticamente il sistema opera come una valvola flash ma sfruttando l'innalzamento di quota, quindi non si tratta di un fenomeno dissipativo, infatti l'energia potenziale guadagnata dall'acqua non evaporata può essere nuovamente convertita in pressione nel tubo discendente.

Parte del vapore prodotto dal primo stadio consente il funzionamento della SJP e come tale è perso ai fini della dissalazione ma non come contributo energetico in quanto aumenta la pressione dell'acqua in ingresso all'impianto e del preriscaldatore.
La portata di vapore non utilizzata dalla SJP è inviata ad uno scambiatore che trasferisce il calore al secondo stadio.
Il secondo stadio è simile al primo ma differisce per la minor pressione d'esercizio 2 - 2.2 bar e per il fatto che l'unica immissione d'energia avviene ad opera del predetto scambiatore alimentato con il vapore prodotto dal primo stadio.
Il vapore prodotto dal secondo stadio è utilizzato per riscaldare, sempre tramite scambiatore, il terzo stadio che opera a pressione atmosferica (1 bar)
Infine il vapore prodotto dal terzo stadio è utilizzato per preriscaldare l'acqua di alimento dopo l'eiettore.
Un ulteriore preriscaldamento del flusso di alimento si può ottenere recuperando una piccola quota di calore sensibile dalla condensa (acqua dolce) che fuoriesce dagli scambiatori che consentono lo scambio termico tra il vapore del primo stadio ed il secondo stadio e tra il vapore del secondo stadio ed il terzo stadio.
Il bleed off scaricato dal primo stadio ha un considerevole contenuto energetico ed un limitato incremento di salinità, quindi viene inviato al serbatoio di ebollizione del secondo stadio dove, mediante una valvola di espansione, può vaporizzare parzialmente. Il vapore prodotto dal flusso di bleed-off in espansione si unirà a quello prodotto per ebollizione dovuta al trasferimento di energia termica.
Similmente il bleed-off del secondo stadio espande nel serbatoio del terzo stadio.
Il flusso di bleed off del terzo stadio è scaricato nuovamente al mare con un tenore di salinità circa il doppio rispetto all'acqua in ingresso, ma prima di uscire dall'impianto trasferisce energia termica al flusso di alimentazione in uscita dalla SJP.


1.4. Regolazione
La messa in opera dell'impianto avviene mediante riempimento manuale del primo stadio. L'irraggiamento solare determina la formazione di vapore ed il conseguente aumento di pressione.
Quando la pressione diviene significativa, il vapore inizia a fluire nello scambiatore che riscalda il secondo stadio. La portata di questo flusso dipende dalla pressione nel serbatoio e dal grado di apertura di una strozzatura regolabile.
Nella fase iniziale il vapore non può condensare in quanto il secondo stadio è ancora vuoto.
Il calo del livello nello stadio 1 determina l'apertura della valvola a galleggiante, la quale invia vapore alla SJP che inizia a ricaricare il primo stadio.
Il bleed off del primo stadio passa allo stadio 2 tramite la strozzatura riempiendolo.
Lo stadio 2 entra quindi anch'esso in produzione riversando vapore per il riscaldamento del terzo stadio attraverso una strozzatura e il bleed off attraverso una valvola che si apre quando il livello nel serbatoio 2 aumenta eccessivamente.
Lo stadio 3 scarica vapore attraverso un'altra strozzatura e il bleed off tramite valvola
Il sistema proposto non opera sempre alla stessa pressione ma la riduzione di potenza determina anche una riduzione proporzionale di tutte le pressioni, questo consente un buon rendimento anche a carichi parziali.
Il riavviamento mattutino avverrà semplicemente in modo automatico con una progressiva e simultanea salita di pressione in tutti i serbatoi.