Durante le vacanze natalizie mi sono preso uno stacco dalla scrittura e mi sono un po’ alienato… lo confesso pubblicamente e pubblicamente mi scuso con chi mi stava intorno. Il fatto è che ho avuto un’intuizione, e, come sempre accade ho voluto approfondire, disegnare, calcolare (nel limite delle mie capacità). L’intuizione del caso ha riguardato un collegamento tra una nozione di geologia (la capacità del suolo di dissipare calore mantenendo, in estate, anche a poca profondità, una bassa temperatura), ed una nozione “tecnica” su un oggetto che si chiama “condensatore di umidità” con cui è possibile estrarre l’acqua dall’aria umida.  Su questi condensatori (di cui si può ampiamente leggere in rete), mi sono reso conto, non si è mai lavorato “ingegnerizzando” in modo non elettronico e non elettrico, la sottrazione di calore all’aria che è necessaria per far condensare l’acqua. Ora, l’acqua è diventata di recente un titolo borsistico “future”, cioè ci sono attualmente delle persone che scommettono contro l’idea di “acqua bene universale” e, dal momento che con il condensatore che ho in mente si può ricavare acqua potabile, questa faccenda del mio alienante passatempo natalizio, assume un qualche valore politico.

Prima che qualcuno decida di tassare l’umidità presente nell’aria (!), ho pensato che anziché deumidificare l’aria con complicati aggeggi elettronici, lo si potrebbe fare con la semplice dispersione termica nel terreno ed è nato tutto quanto segue qui… spero che la cosa possa interessare a qualcuno, altrimenti mi sarò alienato, durante le feste, per niente... :-)

IPOTESI DI CONDENSATORE DI UMIDITÀ “ATTIVO” CON UTILIZZO DI MINITURBINE PER VENTILAZIONE FORZATA, DISPERSORE DI CALORE “A POZZO” E POMPA DI CIRCOLAZIONE.

Chiarisco da subito che nessun prototipo è ancora stato costruito e che dunque qui di seguito vengono riportate delle ipotesi di lavoro. Nessuna responsabilità può in alcun modo essere attribuita all’autore del presente articolo per:

  • incidenti (legati in modo diretto o indiretto a questo articolo).
  • perdita economica legata alla costruzione del condensatore (che funzioni o meno).
  • qualunque altro eventuale danno possa derivare da questo articolo.

 

Fin dalla preistoria gli uomini hanno cercato di convogliare l’umidità dell’aria in appositi bacini per potersi approvvigionare di acqua durante le stagioni che, pur avendo un’elevata umidità ambientale, non offrivano abbondanti precipitazioni (con laghi di rugiada e mezzi simili passivi).

Oggi la condensazione dell’acqua presente nell’aria avviene con strumenti attivi (elettrici o elettronici) ed utilizza apparecchiature che, al costo di molti watt, raffreddano lo scambiatore su cui viene pompata l’aria che rilascia il vapore acqueo in essa contenuto sotto forma di acqua distillata.

L’energia elettrica necessaria per produrre questo ΔT sullo scambiatore (per raffreddarlo) è molto elevata, specie in quei casi in cui esso viene raffreddato con celle di peltier che assorbono molta corrente e sono poco efficienti.

In realtà per dissipare il calore dello scambiatore di condensazione (scaldato appunto dall’aria), sarebbe sufficiente l’utilizzo di altra acqua di refrigerazione in un ciclo chiuso, purché sia previsto un sistema che ne dissipi il calore una volta che lo scambio termico è avvenuto.

Si è posta negli ultimi anni notevole attenzione all’utilizzo dell’acqua di falda (profonda) per riscaldare e rinfrescare gli ambienti in modo ecologico (l’acqua di falda profonda è mediamente fredda in estate rispetto alla temperatura ambientale atmosferica e mediamente calda – per via della geotermia – in inverno, sempre rispetto alla temperatura atmosferica). In questi studi sono stati osservati anche gli strati più superficiali del suolo e si è concluso che alla profondità soglia di 5 metri di profondità il calore prodotto dall’irraggiamento solare in estate non influenza eccessivamente la temperatura e, al contempo, fino a 10 m, il riscaldamento geotermico non è ancora un fattore attivo.

La presente ipotesi di lavoro prevede l’utilizzo di un condensatore di umidità con dissipatore di calore che lavori da 5 metri di profondità ed oltre (fino a 10 metri a seconda delle esigenze di dimensionamento), utilizzando acqua, metalli conduttori termici e ghiaie buone conduttrici. Il dissipatore raffredda l’acqua in modo che, grazie ad una pompa di circolazione,  essa raffreddi lo scambiatore posto nel condensatore di umidità. Lo scambiatore/condensatore, in rame o alluminio, a tubo e fascio tubiero, da un lato produce acqua condensata (distillata) e aria fredda, e dall’altro immette nel circuito di raffreddamento, l’acqua leggermente riscaldata durante lo scambio con l’aria.

Quest’acqua riscaldata viene appunto raffreddata dal dissipatore nel seguente modo:

  • Si valuta un corretto dimensionamento del dissipatore (diametro e profondità).
  • Sulla superficie dell’acqua di raffreddamento all’interno del dissipatore, alcune sfere galleggianti in rame fanno una prima distribuzione del calore superficiale verso la parete esterna del dissipatore e sopra di esse, coadiuvate dal flusso di aria fredda proveniente dal condensatore.
  • All’interno del dissipatore delle lastre di rame (un secondo scambiatore) veicolano il calore assorbito dall’acqua anch’esse verso la parete  metallica del dissipatore (anch’essa di un metallo buon conduttore). Queste lastre hanno anche lo scopo di fornire una controspinta al terreno che circonda il dissipatore.
  • Al di fuori della parete del dissipatore sono poste delle ali e delle lamine di rame e delle ghiaie di granito (o comunque con una buona conduzione termica), queste lamine, fascianti la parete esterna del dissipatore, veicolano il calore dalla parete interna del dissipatore verso il terreno circostante.
  • Facoltativamente l’acqua di raffreddamento dello scambiatore può essere ingegnerizzata con additivi per accelerare gli scambi termici (vale solo per la configurazione con la raccolta di acqua potabile che ha il circuito di raffreddamento separato da quello di condensa).
  • Solo allo scopo di ottimizzare il processo è possibile utilizzare una piccola cella di peltier sul tratto terminale dello scambiatore primario: in un ciclo in cui l’aria è già molto raffreddata dall’acqua del dissipatore, si può ipotizzare l’uso di una peltier a bassissimo wattaggio solo per ricavare un abbassamento di 2 o 3 gradi, al solo scopo di fare piccoli aggiustamenti.

 

Per evitare che un eventuale forte irraggiamento solare comprometta la dissipazione di calore nel suolo è previsto l’utilizzo di un telo riflettente sul piano di calpestio fuori terra intorno al dissipatore.

Com’è noto l’acqua fredda tende a depositarsi verso il basso. Quando questo avviene, a 5 metri di profondità (e oltre, fino a 10 metri), l’acqua è nuovamente abbastanza fredda da poter essere ripompata sullo scambiatore di condensazione.

Il principio di funzionamento è naturalmente quello della stratificazione termica di un “pozzo cisterna”. Tuttavia, a differenza che in un comune pozzo, nel dissipatore qui in oggetto, il processo di dispersione termica (e quindi dell’abbassamento della temperatura), è ingegnerizzato con specifici processi e materiali al fine di garantire un ricambio costante di acqua fredda sullo scambiatore del condensatore. In altre parole, in un normale pozzo, dopo un certo variabile tempo di esercizio delle pompe e delle ventole (che introducono aria calda), l’acqua di raffreddamento del circuito “si scalderebbe” rimandando in circolo, ad ogni ciclo successivo, una parte del calore accumulato nel ciclo precedente, e l’azione refrigerante sullo scambiatore/condensatore diverrebbe presto inefficace.

 

VANTAGGI RISPETTO AD ALTRI CONDENSATORI (IN COSA IL CONDENSATORE IN OGGETTO è INNOVATIVO).

I vantaggi sono i seguenti:

  • La relativa semplicità di funzionamento del condensatore permette la sua costruzione/installazione anche in contesti non eccessivamente all’avanguardia tecnologica (paesi in via di sviluppo e del terzo mondo).
  • Le uniche manutenzioni richieste sono:
  • a) eventuale sanificazione dell’acqua di raffreddamento (che può essere interamente sostituita, ad esempio durante la successiva stagione piovosa.)
  • b) manutenzione sulle turbine, sulla pompa e sul sistema di alimentazione elettrica.
  • c) Il filtraggio dell’aria e dell’acqua condensata e, di quest’ultima, l’eventuale sua mineralizzazione.
  • Rispetto ai sistemi passivi di cattura dell’aria umida, qui è possibile dimensionare la quantità di acqua distillata ottenibile dimensionando la portata delle ventole e la grandezza, tanto del dissipatore che del condensatore, (la quantità di acqua ottenuta varierà solo in relazione all’umidità relativa nel tempo T e alle differenze di temperatura da 5 metri in giù cangiante da luogo a luogo e da stagione a stagione).
  • Dissipare il calore naturalmente significa non immettere nell’ambiente macchinari che a fine vita contribuiscono a creare inquinamento (da freon o altri gas, sostanze igroscopiche ecc.).
  • Il fabbisogno energetico necessario ad alimentare due ventole ed una pompa è minimo e non è paragonabile a quello necessario per raffreddare lo scambiatore con gas refrigeranti o ancor peggio unicamente con le celle di peltier. L’uso qui ipotizzato di un aggiustamento “finale” della temperatura sullo scambiatore/condensatore con cella di peltier, dovendo incidere di pochi gradi, può essere ridotto ad un assorbimento di una trentina di watt (a 12 V circa 2,3 A).
  • Il basso assorbimento elettrico rende possibile alimentare un sistema per uso domestico da circa 100 L/die (se la U.R. è mediamente dell’80%) con un semplice pannellino solare da 150 w, un regolatore di carica/centralina, ed una batteria 12 V.

 

SVANTAGGI DEL SISTEMA QUI PROPOSTO:

  • La temperatura del sottosuolo dai 5 metri, alle latitudini Italiane, oltre a variare in base a versante, esposizione e litologia, oscilla (a parità di luogo di campionamento) tra gli 8° e i 12° in base al succedersi delle stagioni. Poiché le temperature atmosferiche seguono un altro andamento termico si verifica, nei luoghi freddi, che in inverno l’acqua del dissipatore sia (ad esempio) a 12°, mentre in superficie la temperatura atmosferica è a 2/3 ° o ancor meno. In questa condizione limite, che riguarda però solo i luoghi in cui l’inverno e parte dell’autunno hanno temperature atmosferiche rigide, (e ci si trova in una situazione di abbondanza idrica), il dissipatore da 5 metri di profondità (ed oltre), diventa un accumulatore di calore e la condensazione dell’umidità dell’aria diviene impossibile. Naturalmente attivando la pompa, l’acqua del dissipatore si raffredderà rapidamente (l’aria fredda raffredderà l’acqua pompata dal dissipatore che andrà, proprio perché fredda, sul fondo) a quel punto il terreno anziché essere luogo di dispersione di calore comincerà a cederne alla struttura e quindi si può prevedere che, tra l’aria fredda atmosferica ed il fondo del dissipatore (divenuto accumulatore), non si creerà la condizione idonea alla condensazione dell’umidità contenuta nell’aria. Si potrebbe ipotizzare di usare la pompa di circolazione dell’acqua ad una profondità minore (dove la temperatura in inverno è più bassa) ma sarebbe comunque da verificare la presenza delle condizioni di ΔT idonee alla condensazione dell’acqua.

Ovviamente questo problema è risibile in quelle condizioni climatiche di caldo umido continuo o pressoché continuo ove varrebbe comunque il principio che il terreno cede calore facilmente e fa “naturalmente” da “radiatore” al dissipatore di calore.

Segue uno schema di riferimento per la situazione Italiana:

Relazione tra profondità - temperatura - stagioni

 

POSSIBILI CONFIGURAZIONI DEL CONDENSATORE DI UMIDITÀ:

CONFIGURAZIONE PER PRODUZIONE DI ACQUA POTABILE:

 Condensatore generatore di acqua potabile e relativo dissipatore di calore

 

 

CONFIGURAZIONE PER PRODUZIONE DI ACQUA NON POTABILE:

 Condensatore generatore di acqua non potabile

 

 

CONFIGURAZIONE PER PRODUZIONE DI ACQUA POTABILE CON SCAMBIATORE IMMERSO NEL DISSIPATORE

Può essere prevista una configurazione in cui il condensatore (e con esso lo scambiatore primario) sia totalmente immerso nel dissipatore. In questo caso la condotta dell’aria ha forma ad “U” e sul fondo è collocato un piccolo vaso di raccolta della condensa. Un sensore a galleggiante comunica ad una centralina il riempimento del vaso e quest’ultimo attiva una pompa che porta in superficie la condensa raccolta. La pompa in questo caso lavora in modo discontinuo e si risparmiano ulteriori ampere. Naturalmente questa configurazione porta il calore direttamente sul fondo del dissipatore ed innesca quindi un moto convettivo dell’acqua. Questo calore che sale deve essere dissipato al più presto e dunque è bene prevedere che le lamine interne dello scambiatore secondario (le lastre di rame immerse nel dissipatore) siano molto prossime al tubo in rame (lo scambiatore primario), e, fuori dal dissipatore, già dalla massima profondità, per tutta l’estensione dello scambiatore primario bisognerebbe prevedere ampi dissipatori esterni e le ghiaie.

Condensatore di umidità generatore di acqua con scambiatore immerso nel dissipatore

ALCUNI DETTAGLI:

DISSIPAZIONE DEL CALORE SUPERFICIALE NELLA CONFIGURAZIONE PER IL RICAVO DI ACQUA NON POTABILE:

 Metodo di raffreddamento superficiale del dissipatore con sfere di rame

 

ELEMENTI PRICIPALI DEL DISSIPATORE - NEL CASO DELLA CONFIGURAZIONE N° 3, LE LASTRE “C” SARANNO AMPIE ANCHE IN PROFONDITÀ E GLI SCAMBIATORI “D” SARANNO MOLTO PROSSIMI ALLO SCAMBIATORE PRIMARIO (LA CONDOTTA DELL’ARIA) :

 Elementi principali del dissipatore

Alcuni ragionamenti:

In estate, a circa 5 metri di profondità si hanno circa 8/10°C. Quali sarebbero le soglie di funzionamento del condensatore? Naturalmente esse dipenderebbero dalle temperature esterne e dell’umidità relativa. Stando alla seguente tabella, se lo scambio termico fosse efficace, si potrebbe far condensare acqua in molte zone d’Italia (e del mondo). Quali sono le differenze di temperatura alle quali l’umidità dell’aria condensa? Ecco qui di seguito alcuni dati:

Tabella punto di rugiada in relazione a temperatura e umidità

 Quindi, ad esempio, con una temperatura atmosferica di 30° ed una umidità relativa dell’80%, applicando sullo scambiatore un ΔT di 4,90° (abbassando la temperatura di 4,9°) si otterrebbe acqua condensata. A proposito, la differenza di temperatura tra il fondo del dissipatore e l'aria sarebbe di 18/20° C, ben oltre quella richiesta per il punto di rugiada! .

Ma quanta acqua si potrebbe ricavare da un condensatore? Immaginando di avere delle ventole che pompino 4 m3 di aria al minuto (le ventole gas di sentina in commercio hanno rendimenti anche superiori), con un’umidità relativa dell’80 %, riuscendo a far condensare gran parte dell’umidità si avrebbero 0,1 L al minuto (25 gr di acqua a m3 di aria X 4 m3). In dieci minuti sarebbe 1 L e in 1 ora sarebbero 6 L. Supposto di avere delle condizioni stabili per un’intera giornata si avrebbero 144 L d’acqua (potenzialmente potabile) al giorno. Ovviamente è un rendimento teorico, ma se anche si arrivasse a 80 L al giorno, per un piccolo impianto domestico, sarebbe un grande risultato.

 

Conducibilità termica di alcuni materiali

 

SIMULAZIONE DEI COSTI PER UN IMPIANTO DOMESTICO:

Ho fatto una simulazione in cui sono esclusi i costi di scavo e messa in opera del dissipatore (la cui spesa, ad occhio, potrebbe aggirarsi intorno ai 1000/1500 euro).

Mentre, il condensatore, immaginando di non disporre di una pompa, e di dover alimentare tutto con un pannello solare e una centralina, costerebbe circa 350 euro (spese dei materiali al dettaglio).

Naturalmente 5 metri di scavo, (penso ad un paese del terzo mondo), non sono un’impresa impossibile neanche per il singolo e per i materiali si possono riadattare oggetti già esistenti (ad esempio: una canna fumaria inox monoparete con diametro 500 mm i cui giunti siano a tenuta stagna, sarebbe già una buona parete del dissipatore e non avrebbe costi proibitivi).

 

CORRENTE ELETTRICA NECESSARIA IN RIFERIMENTO AD UN IMPIANTO DOMESTICO :

Per un piccolo impianto domestico da 100 litri di condensa al giorno (stime al ribasso) ho ridotto il consumo a 110 w a 12 volt cercando la pompa e le ventole più adatte allo scopo. Con una cella peltier da 30 w per ottimizzare il raffreddamento della parte finale del condensatore (se servisse), si arriverebbe a 140 w. Il che rende possibile alimentare il condensatore con un pannello solare da 12 V e  da 150 w.

Alla fine di questa lunga dissertazione, ne sono certo, mi direte "be' hai scoperto l'acqua calda..." ed io vi risponderò: "no, a dire il vero ho scoperto che nei condensatori passivi (o leggermente attivi") nessuno aveva pensato di raffreddare l'aria umida dissipando il calore con l'acqua fredda (lì messa allo scopo), e a sua volta raffreddata dal terreno. O almeno, non ingegnerizzando il meccanismo. O almeno, io non ho trovato installazioni simili." In poche parole, direi, più semplicemente: "No, ho scoperto l'acqua fredda..."

Il prossimo step sarà la costruzione di un prototipo in primavera/estate (o magari per le  vacanze di Pasqua!).

Finito di scrivere da Luca Aiello il 06/01/2021.

Aiello, Luca, "Humidity Condenser for potable and non potable water generation, and water-metal-ground heatsink", Technical Disclosure Commons, ()

https://www.tdcommons.org/dpubs_series/3947