Implementare con precisione il calcolo delle perdite termiche nei sistemi di accumulo a sali fusi: guida operativa passo dopo passo

Le perdite termiche nei sistemi di accumulo a sali fusi rappresentano un fattore critico che influisce direttamente sull’efficienza energetica, la sostenibilità economica e la competitività degli impianti termodinamici in Italia, soprattutto nei cicli di carica/scarica ripetuti. La gestione accurata di queste dispersioni richiede un approccio metodologico avanzato, che integri modellazione termica dinamica, calibrazione sperimentale e monitoraggio continuo, come descritto nel Tier 2 dell’analisi termica. Questo articolo fornisce una guida completa, operativa e dettagliata, per implementare con precisione il calcolo delle perdite, con passaggi esatti, esempi applicativi nel contesto italiano e tecniche di validazione che vanno oltre la semplice descrizione dei modelli teorici.

1. Le perdite termiche: un’analisi quantitativa fondamentale

La base del calcolo delle perdite risiede nella distinzione tra conduzione, convezione e irraggiamento nel circuito salino. Nel caso dei sali fusi, tipicamente operanti tra 290°C e 565°C, la conduzione avviene attraverso pareti di contenitori in acciaio inossidabile o ceramica, mentre la convezione naturale si manifesta nella superficie esterna esposta al ambiente e l’irraggiamento gioca un ruolo rilevante soprattutto in configurazioni a tubazioni nude o serbatoi aperti. Le perdite termiche locali si esprimono come ΔQ = Q_cond + Q_conv + Q_rad, dove ogni termine richiede formulazioni specifiche.

Formulazione del bilancio energetico locale:
ΔQ_perdite = Q_cond + Q_conv + Q_rad

• Q_cond = ∫∫ k·∇T · dA, con k il coefficiente di conduzione del materiale dell’isolamento o parete
• Q_conv = h_ext·A·(T_superficie – T_ambiente), con h_ext il coefficiente globale di scambio termico esterno
• Q_rad = ε·σ·A·(T_superficie⁴ – T_ambiente⁴ + T_ambiente·(T_superficie + T_ambiente)/2), con ε emissività e σ costante Stefan-Boltzmann

Il termine di conduzione è fortemente dipendente dallo spessore (L) e dalla conducibilità termica (k) del materiale isolante: un isolamento efficace minimizza questa componente. La convezione richiede valutazione attenta dello strato limite termico esterno, dove l’effetto stratificato e la turbolenza locale possono alterare il flusso. Infine, l’irraggiamento, spesso sottovalutato, diventa critico in configurazioni con superfici nude o radianti vicine, particolarmente rilevante in centrali solari termodinamiche italiane come Toffol.

2. Metodologia avanzata di quantificazione: modellazione e validazione dinamica

Il Tier 2 introduce un approccio integrato che supera la semplice somma statica delle perdite, introducendo simulazioni FEM (es. COMSOL Multiphysics) per modellare il campo termico tridimensionale con condizioni al contorno realistiche, basate su profili operativi stagionali e ciclici. La metodologia si articola in quattro fasi chiave:

1. Fase 1: Acquisizione geometrica e termodinamica precisa:
   Misurazione accurata dei diametri tubieri (es. 24 cm per serbatoi da Toffol), lunghezze del circuito interno (es. 120 m per serbatoio da accumulo), spessori e tipi di isolamento (es. lana di roccia al 90% in fibra, spessore 80 mm), e stato di conservazione (verifica con test termografici a infrarossi per rilevare degradazioni o ponti termici). Documentazione dettagliata con strumenti come laser scanner 3D per geometrie reali.

   Consiglio pratico: Utilizzare certificati di conformità ISO 9001 per i materiali isolanti e verificare la geometria con termografia aerea o a contatto, per evitare errori di misura che falsano il modello.

2. Fase 2: Calibrazione dei coefficienti di trasmissione termica:
   Esecuzione di test termografici in laboratorio su campioni di parete isolata (es. sezione di 30×30 cm), misurando gradienti termici con termocoppie ad alta risoluzione. I dati vengono correlati ai parametri teorici (es. k dell’isolamento in fibra ceramica) per costruire una curva di calibrazione.

   Verifica iterativa: confronto tra perdite previste dal modello e misure sperimentali consente di aggiustare coefficienti U_eff fino a ridurre l’errore residuo al di sotto del 5%.

   Esempio concreto: In un serbatoio Toffol, la calibrazione ha rivelato un’emissività superficiale 12% superiore al valore nominale, correggendo così le previsioni di irradiamento esterno.

3. Fase 3: Simulazione FEM del campo termico:
   Configurazione di un modello 3D con impostazione di scambio termico ai confini: superficie esterna esposta a condizioni climatiche mediterranee (temperatura ambiente 18–35°C, irraggiamento 800–1100 W/m²), con flussi di calore applicati ciclicamente per simulare carica/scarica. Parametri chiave: conducibilità termica k=0.8 W/m·K per isolamento, h_ext=18 W/m²·K in condizioni standard.

   Analisi della distribuzione spaziale delle perdite evidenzia picchi localizzati nelle giunzioni tubiere, dove gli effetti di convezione locale amplificano la dispersione.

   Formula chiave: ΔT_loc = Q_perdite·R_tot, con R_tot = R_cond + R_conv + R_rad, dove R_conv = 1/(h_ext·A)

4. Fase 4: Aggregazione e aggregazione temporale delle perdite:
   Integrazione numerica del bilancio energetico lungo un ciclo termodinamico, considerando transizioni non lineari (es. riscaldamento rapido iniziale con coefficiente h variabile). Stima delle perdite medie giornaliere, settimanali e stagionali, con accumulo di effetti di degrado termo-meccanico (es. compressione isolamento dopo cicli ripetuti).

   Utilizzo di funzioni di smearing temporale per rappresentare le irregolarità operative e calcolo di perdite equivalenti su base mensile, fondamentale per la pianificazione della manutenzione.

3. Errori frequenti e correzione nella stima delle perdite

Nonostante la solidità del Tier 2, molti errori compromettono l’affidabilità delle stime:

• Convezione naturale semplificata: Ignorare la stratificazione termica esterna genera sovrastima di Q_conv, poiché il flusso è spesso laminare e limitato vicino alla superficie. Soluzione: modellare profili di velocità con CFD o equazioni di boundary layer.
• Isolamento ideale senza verifica: Assumere un coefficiente U=0.1 W/m²·K senza test termografici reali porta a sottostimare le perdite di ordine 10–20%. Soluzione: validazione con misure a infrarossi trimestrali.
• Irraggiamento lontano trascurato: In configurazioni con tubazioni nude o serbatoi vicini, il trasferimento radiativo può aggiungere fino al 15% delle perdite totali. Soluzione: simulare campi termici con analisi