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Il team di ricerca introduce una tabella di marcia per un condizionamento dell’aria più ecologico per un mondo più caldo

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Un mondo più caldo significa una crescente dipendenza dall’aria condizionata e dal fabbisogno energetico correlato al raffreddamento. I ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory stanno studiando le molteplici sfaccettature del raffreddamento ad adsorbimento, che offre un’opzione più efficiente dal punto di vista energetico per i sistemi di raffreddamento. Credito: Shannon Colson/Pacific Northwest National Laboratory

Quando arriva il caldo estivo, i condizionatori d’aria si accendono e la domanda di energia sale alle stelle, mettendo a dura prova la rete. In un mondo più caldo, opzioni di raffreddamento più efficienti svolgeranno un ruolo importante nel frenare l’aumento della domanda di energia legata al raffreddamento. Ciò sarà particolarmente vero per quasi l’80% della popolazione mondiale che vive nei paesi che circondano l’equatore, dove anche piccoli aumenti di temperatura potrebbero essere pericolosi per la vita.

Una nuova ricerca del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) fornisce una tabella di marcia che delinea come sia possibile realizzare sistemi di raffreddamento più efficienti con lo sviluppo e il supporto dell’industria. Lo studio di ricerca invitato è apparso sulla rivista Conti della ricerca chimica.

“In questo momento, questa è una scienza fondamentale. Tuttavia, questo potrebbe essere un punto di svolta per l’industria”, ha affermato Radha Motkuri, ingegnere chimico del PNNL e autore corrispondente.

La chimica del cool

Motkuri e il team di ricerca hanno esaminato un approccio che potrebbe offrire notevoli risparmi energetici: il raffreddamento ad adsorbimento. Questi sistemi possono funzionare con piccole quantità di calore di scarto da un edificio o da un impianto industriale per alimentare le reazioni tra un refrigerante a vapore e un materiale solido.

“Una volta che abbiamo inserito l’alimentazione per la prima volta, il gioco è fatto”, ha spiegato Motkuri. “Quindi, il sistema continua a ciclare – adsorbimento, desorbimento, adsorbimento, desorbimento – con una potenza assorbita molto ridotta”.

Ciò è in diretto contrasto con i sistemi di raffreddamento convenzionali che utilizzano un compressore e richiedono immissioni di energia regolari.

Aria condizionata più ecologica per un mondo più caldo

Nei sistemi di raffreddamento ad adsorbimento, le molecole di refrigerante a vapore (l’ospite) vengono adsorbite nei nanopori di un materiale solido (l’ospite). Motkuri ei suoi collaboratori hanno studiato come la modifica della geometria dei nanopori (ingegneria dei pori) e la velocità delle interazioni chimiche ospite-ospite influenzino la capacità di raffreddamento e l’efficienza energetica dei sistemi di raffreddamento ad adsorbimento. Credito: Rose Perry/Pacific Northwest National Laboratory

L’ottimizzazione di un sistema di raffreddamento ad adsorbimento per ottenere la capacità di raffreddamento e l’efficienza energetica ideali richiede la comprensione della complessa chimica tra il refrigerante a vapore del sistema, chiamato guest, e il materiale assorbente solido, chiamato host. Motkuri e i suoi collaboratori hanno approfondito questi dettagli, regolando la geometria dei pori del sorbente solido, la velocità delle interazioni chimiche e persino l’impatto di minuscoli difetti nel materiale solido, per capire come influiscono sull’intero sistema. Di recente, il team è stato invitato a riunire il proprio lavoro in un insieme efficiente che può aiutare gli sviluppatori del settore del raffreddamento a cercare di soddisfare la domanda di opzioni più efficienti dal punto di vista energetico.

“Il raffreddamento ad adsorbimento a base di refrigerante elimina i principali problemi di costi, efficienza e affidabilità che hanno limitato l’adozione degli attuali sistemi di raffreddamento ad adsorbimento a base d’acqua negli edifici commerciali e residenziali”, ha affermato Pete McGrail, collega di laboratorio e ingegnere chimico che ha guidato lo sforzo di raffreddamento ad adsorbimento di PNNL per molti anni. “Questo articolo di giornale rappresenta una sinossi di anni di ricerca su nuove coppie assorbente-refrigerante che hanno notevolmente avanzato la tecnologia di raffreddamento ad adsorbimento”.

Componenti ecocompatibili

Con le ondate di caldo globali in aumento e la domanda di energia legata al raffreddamento che dovrebbe triplicare entro il 2050, c’è una spinta per sistemi di raffreddamento con un impatto ambientale inferiore. Oltre a sistemi più efficienti dal punto di vista energetico, ciò include il cambiamento degli standard per i refrigeranti.

I refrigeranti a base di idrofluorocarburi comunemente usati verranno gradualmente eliminati nei prossimi anni a favore di idrofluoro-olefine (HFO) più rispettose dell’ambiente. Gli HFO hanno un potenziale di riscaldamento globale vicino allo zero, il che significa che le emissioni di HFO trattengono molto meno calore relativo nell’atmosfera rispetto alle emissioni di refrigeranti a base di idrofluorocarburi.

Consapevoli di questa transizione, Motkuri e i suoi collaboratori hanno condotto i loro test utilizzando il refrigerante idrofluorocarburico R-134a, prontamente disponibile ed economico. Questo refrigerante idrofluorocarburico ha un elevato potenziale di riscaldamento globale, ma un comportamento chimico simile agli HFO, il che lo rende un’alternativa adatta per lo studio delle interazioni molecolari dei sistemi di raffreddamento ad adsorbimento che utilizzeranno gli HFO in futuro. I ricercatori non vedono l’ora di integrare gli HFO nella futura ricerca sul raffreddamento ad adsorbimento come il prossimo passo nei sistemi di raffreddamento ecologici.

I ricercatori del PNNL Dushyant Barpaga, Jian Zheng, Peter McGrail e Radha Motkuri hanno contribuito all’articolo in Conti della ricerca chimica.


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