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La Caldaia Idrosonica

La “Caldaia Idrosonica”, concepita nel 1987 dal suo inventore James Griggs, è stata brevettata nel 1993 dalla Hydro Dynamics Inc. (brevetto US 5,188,090 del 23/2/1993 e altri 3 successivi).

Ma come funziona questo sistema?

Come potete vedere nel disegno, la “Caldaia Idrosonica” consiste in un rotore metallico traforato solidale con un asse, che può ruotare all’interno di un cilindro (statore) che presenta una superficie interna corrugata. Le due estremità del sistema sono chiuse da dischi metallici.

I due elementi (rotore e statore) sono molto vicini fra loro, e l’asse viene fatto ruotare molto velocemente da un motore elettrico. Nelle piastre terminali dello statore sono presenti due tubi con la funzione di immettere acqua fredda e captare vapore in uscita. In pratica viene immessa acqua a temperatura ambiente per poi produrre acqua calda e/o vapore, secondo l’uso richiesto, per l’azione della energia meccanica del motore elettrico.

 

Si tratta di un dispositivo capace di produrre, in uscita, una quantità di energia superiore a quella fornita in entrata. In particolare, l’energia del vapore prodotto è maggiore del 30% rispetto alla potenza fornita al motore.

Sappiamo benissimo che non è possibile creare energia dal nulla, pertanto, a breve, vedremo come questo può accadere.

In un paio di anni questo prodotto è stato installato in molti impianti industriali e civili (non in Italia), perché offre un interessante vantaggio rispetto alle altre soluzioni standard di riscaldamento fluidi che noi conosciamo. Quali?

Si tratta di un dispositivo riscaldante totalmente immune da possibili depositi di calcare e non necessità di canna fumaria (a dirla tutta anche la pompa di calore tradizionale).

Il problema del calcare affligge tutti i sistemi a scambiatore di calore, in quanto una superficie più calda al contatto con il liquido più freddo provoca inevitabilmente la precipitazione dei carbonati o di altre sostanze che sono in soluzione o in sospensione.

Siccome in questa caldaia innovativa, invece, il calore si produce “entro” il liquido stesso, il dispositivo risulta essere sempre più freddo del liquido, in ogni suo punto. L’assenza di calcare, dunque, può abbattere in misura notevolissima i costi di manutenzione, e questa caratteristica in un impianto industriale, specialmente se a ciclo continuo, può assumere una importanza anche determinante.

Ed eccoci giunti alla fatidica domanda: come è possibile che l’energia generata da questa caldaia sia superiore di quella spesa?

Nella Caldaia Idrosonica il calore viene generato grazie a due contributi :

La quota maggiore di calore è naturalmente ottenuta in modo convenzionale, per agitazione meccanica molecolare (per le frizioni derivanti dallo scorrimento forzato di un fluido viscoso, e dall’impatto diretto delle onde d’urto che si producono nel cilindro);

La quota di calore in eccesso deriva dalla sonoluminescenza. Di cosa si tratta?

La sonoluminescenza è un fenomeno, di recente scoperta ma ormai accertato, per cui, investendo l’acqua con ultrasuoni, in essa si formano microbolle che collassano a circa 20.000 gradi Kelvin, emettendo un flash chiaramente visibile. Per quanto possa sembrare incredibile, persino una specie di gamberetto riesce a produrre in natura lo stesso fenomeno: schioccando le sue chele genera bolle luminose a 20,000° (se non ci credete approfondite su internet, troverete svariati articoli che parlano di questa particolare caratteristica dei crostacei).

Nella Caldaia Idrosonica l’altissima turbolenza indotta dalla particolare agitazione meccanica produce allo stesso tempo cavitazione e microbolle di gas. Le bolle sono investite delle potenti onde d’urto che si generano quando le cavità del rotore scorrono rasente le rigature dello statore, e quindi collassano liberando moltissima energia. E’ ragionevolmente ipotizzabile che una piccolissima percentuale di atomi finisca così per implodere liberando calore.

I “Los Alamos National Laboratory” negli USA hanno ampiamente testato la Caldaia Idrosonica, verificando l’eccesso di calore prodotto nell’acqua rispetto alla potenza meccanica immessa. Tale eccesso, che è apparso variabile in funzione della velocità del rotore, è stato stimato essere fra il 20 e il 30 % in più per i regimi normalmente raggiungibili, e fino al 60% alle alte velocità.

La produzione di calore, tuttavia, non è semplicemente una funzione diretta dell’energia meccanica immessa. La pompa viene avviata, e dopo qualche minuto raggiunge il suo regime nel quale l’acqua a temperatura ambiente inizia ad essere convertita in vapore. Una volta che questo stadio è raggiunto, la macchina entra in regime e la temperatura dell’acqua si mantiene costante, mentre cala del 30% l’energia meccanica richiesta.

Il Prof. Keizios, decano presso il “Department of Mechanical Engineering at Georgia Institute of Technology”, e ex presidente della “American Society of Mechanical Engineers” approfondendo il lavoro svolto da Griggs, ha certificato che la macchina è in grado di raggiungere addirittura efficienze del 168% e del 157%, equivalente ad un COP di oltre 2,50).

Concludendo, sicuramente si tratta di una soluzione molto interessante, un’alternativa alla pompa di calore che permette di risparmiare sulla manutenzione dell’impianto ma che al momento, vista la bassa diffusione del prodotto, è caratterizzata da un costo significativamente elevato (una caldaia da 24 kW può costare dai 7.000 ai 10.000 euro) e da un’efficienza che comunque non risulta paragonabile a quella della pompa di calore. La caldaia idrosonica non necessitando dell’unità esterna, potrebbe rivelarsi molto interessante per risolvere situazioni dove le criticità sono gli spazi ristretti e l’impossibilità di istallazione della canna fumaria.

Sarebbe molto interessante poter smentire ciò che ho appena scritto. Attendo un confronto da chi ha già avuto esperienze concrete con questa curiosa e interessante soluzione innovativa. Al momento purtroppo, dalle mie ricerche, sembra che questo progetto sia stato accantonato a causa di deversi problemi tecnici, come la connessione ad un serbatoio di tipo stratificato e la gestione del raffreddamento del motore della turbina. Da altre fonti mi è giunta voce che questi generatori non garantivano i rendimenti proposti a targhetta.

Per chi fosse interessato a seguire i miei articoli di approfondimento su tematiche riguardanti il risparmio energetico, può visionare il mio sito internet (www.lucamarcenaro.it), la mia pagina fans di Facebook di Facebook o il mio profilo LinkedIn, canali tramite i quali cerco, il più costantemente possibile, di divulgare informazioni sperando in una condivisioni costruttiva di idee e di esperienze.

 

Nel panorama di prodotti attualmente presenti sul mercato, per produrre acqua calda per usi domestici da una fonte di energia facilmente reperibile quale, combustibili fossili, o energia elettrica, troveremo diverse soluzioni con costi di acquisto, rese e costi di gestione diversi, vediamoli insieme.
Troveremo generatori d’acqua calda divisi in due grandi categorie una funzionante con combustibile fossile quale gasolio, metano e gpl, l’altra con energia elettrica quali , pompe di calore e caldaie elettriche con resistenza.
Poi c’è un settore a se stante, che ultimamente stà avendo un rinnovato rilancio grazie agli incentivi fiscali ed è il solare termico. Quest’ultimo non è altro che un boiler che viene riscaldato tramite pannelli solari termici dal sole, ma data la sua discontinuità di produzione e la temperatura dell’acqua estremamente variabile non la consideriamo come un generatore primario, ma eventualmente di supporto e lo lasciamo fuori da questa analisi.

Ma leggendo il titolo sembra che ci siamo dimenticati di qualcosa , la Caldaia Idrosonica! No arrivo al dunque, perché è appunto di questo prodotto che vi voglio parlare. Che cos’è di preciso? Da dove viene? Che resa ha? Si trova già in commercio? Da cosa è alimentata ?
A queste e molte altre domande darò risposta nei prossimi capitoli, per ora vi premetto che questa caldaia è alimentata da energia elettrica, ha una resa molto elevata, una produzione di acqua a temperatura di oltre 100° quasi istantanea e un prezzo abbordabile. Non male direi come premessa.

Proseguiamo ora con un’analisi comparativa dei prodotti sopra elencati di caldaie a gas, gasolio, ed elettriche e vediamo nella competizione di prodotti dove si colloca la nostra Caldaia Idrosonica.
Essendo una caldaia elettrica la metteremo nella categoria delle fonti di riscaldamento alimentate elettricamente, cioè pompe di calore idroniche e le normali caldaie elettriche a resistenza.
Faccio sempre queste distinzioni tra elettrico e combustibile fossile perché l’obbiettivo finale è quello di arrivare all’indipendenza energetica della nostra abitazione e questo è raggiungibile solo eliminando le fonti fossili, che oltretutto sono le meno convenienti come costi di esercizio e resa termica finale.
L’unica fonte di energia primaria che ci interessa è l’energia elettrica che possiamo produrre in proprio con il fotovoltaico quindi un generatore di acqua calda elettrico per il nostro progetto di casa a costo zero è un punto fermo.

Analisi Costi energetici

Approfondiamo ora i costi dei vari combustibili e le relative rese termiche per poter fare poi una comparazione di costi di esercizio annuo di una famiglia tipo .

Tabella 1: resa e costi
Combustibile Unità di misura Costo unitario Resa Termica
Metano € 1,00 Kw 8,5
GPL litro € 1,30 Kw 7,6
Gasolio litro € 1,50 Kw 10

I prezzi unitari dei vari combustibili sono estremamente variabili specialmente quelli del metano in base alle regioni, e all’andamento del mercato in questo momento sono tutti in calo per esempio il prezzo del gpl prima era oltre 1,5 € al lt. quindi prendiamo nel nostro esempio i prezzi sopra esposti, ma il fatto della continua variabilità dei prezzi è un altro problema di incertezza e di stress per le famiglie. Facciamo ora un esempio pratico di una famiglia tipo di 4 persone su un appartamento di 110 m² dotato di termosifoni, classe energetica C che per uso domestico consuma 12.000 kw./anno di energia termica.

Tabella 2: analisi comparativa
consumo termico combustibile consumo annuo costo annuo
12.000 Kw metano m3 1.411 € 1.411
12.000 Kw GPL Lt. 1.578 € 2.052
12.000 Kw gasolio Lt. 1.200 € 1.800

Come vediamo il combustibile più conveniente è il metano , ma questa tabella è prettamente teorica, visto che la resa termica sviluppata da ogni unità di combustibile (evidenziata nella tabella 1) all’atto pratico è sempre inferiore e questo è dovuto dalla resa della caldaia che non è mai al 100% , ma c’è sempre uno spreco di energia quantificabile nell’ordine del 15% , che và nei fumi di scarico, a meno che non abbiate una nuova caldaia a condensazione con resa del 104%.

Facciamo ora una comparazione con sistemi elettrici di riscaldamento, ma prima dobbiamo illustrare le rese termiche di questi tre prodotti. Le rese sono espresse in C.O.P. ( Coefficent off performance ) cioè il coefficiente di trasformazione di energia elettrica in termica , vediamo.

Tabella 3: resi e costi
Sistema C.O.P. Costo al Kw Unità di misura Resa termica
Pompa di calore 4 0,26 € 1 Kw elettrico 4,00 Kw
Caldaia elettrica 0,85 0,26 € 1 Kw elettrico 0,85 Kw
Caldaia idrosonica 2,50 0,26 € 1 Kw elettrico 2,50 Kw
Tabella 4: analisi comparativa
Consumo termico Sistema Consumo tot. Kw Costo annuo
12.000 Pompa di calore 3.000 € 780,00
12.000 Caldaia elettrica 14.117 € 3.670,00
12.000 Caldaia idrosonica 4.800 € 1.248,00

In questo calcolo abbiamo considerato un costo medio di 0,26 € al Kw dell’energia elettrica, ma salta subito all’ occhio il basso costo di esercizio della pompa di calore e l’elevato costo della caldaia elettrica. In questo caso la resa è certa non ci sono variabili di dispersione termica nei fumi di scarico in quanto non cè combustione ma cè una sola variabile, il COP della pompa di calore infatti il COP è variabile in base la temperatura esterna , il 100% del COP lo abbiamo ad una temperatura esterna di +8 C° quindi il valore di 4 è destinato a scendere con l’abbassarsi della temperatura esterna: quando saremo a zero gradi il COP sarà a 3 quando saremo a -5 gradi il COP sarà a 2 e così via in pratica più fa freddo e meno rende. Quindi la pompa di calore per le zone climatiche rigide ha dei limiti.

Tabella 5: analisi comparativa finale
Sistema Combustibile Resa annua in Kw Costo d’esercizio
Pompa di calore Elettricità 12.000 € 780,00
Caldaia idrosonica Elettricità 12.000 € 1.248,00
Caldaia Metano 12.000 € 1.411,00
Caldaia Gasolio 12.000 € 1.800,00
Caldaia GPL 12.000 € 2.052,00
Caldaia Elettricità 12.000 € 3.670,00

Considerazioni Finali

Analizzando la tabella 5 e guardando il costo di esercizio, il sistema più conveniente è senza dubbio l’impianto a pompa di calore, seguita dalla caldaia Idrosonica, che ha dei costi di esercizio leggermente più bassi rispetto la caldaia a metanoLe altre tre soluzioni sono da tralasciare, perché sono talmente fuorigioco come costi di esercizio e d’ora in poi non le prenderemo più in considerazione nel proseguimento della nostra analisi. Andremo ora a fare una comparazione più approfondita di questi tre prodotti (pompa di calroe aria-acqua, caldaia idrosonica e caldaia a metano) e vediamo i vantaggi e gli svantaggi che comporterà lo loro installazionenel nostro impianto domestico. Scenderemo nei dettagli sia tecnici che economici ( costo di acquisto ). Anche in questo caso la comparazione deve tener conto di parametri comuni, come la potenza termica generata dal sistema, i costi gestionali di manutenzione, il tipo di installazione ed i costi aggiunti di installazione , obbligati dalle normative vigenti. Fissiamo subito dei parametri comuni: la potenza termica generata dal sistema deve essere di 15 Kw , sufficenti a riscaldare un appartamento come nell’esempio fatto in precedenza. La temperatura di mandata dell’acqua deve essere di 80 C°, perché deve riscaldare dei termosifoni , vediamo.

Tabella 6
Prodotto Temperatura
acqua
Unità
esterna
Camino fumi Manutenzenzione
annua
Vincoli
estetici
Costo d’acquisto
Pompa di calore 80° si no no si € 17.500
Caldaia idrosonica 80° no no no no € 7.500
Caldaia a metano 80° no si si no € 2.500

Come si può notare dalla tabella 6 la pompa di calore, che in prima battuta sembrava la più conveniente, ha tre componenti che la portano fuori competizione:

  1. il costo d’acquisto;
  2. l’unità esterna: per funzionare le pompe di calore hanno bisogno di una ingombrante unità esterna, che spesso crea problemi di ordine estetico, o di vincoli paesaggistici.
  3. il COP: a temperature basse il COP si abbassa e porta i costi di esercizio uguali, o addirittura superiori al metano, quindi è interessante solo nelle zone climatiche temperate.

La caldaia a metano ha un costo di acquisto molto concorrenziale, ma ha bisogno di una costante manutenzione di controllo annuale, ha bisogno di un suo sito di installazione legato alla canna fumaria, ai sistemi di areazione e sicurezza imposti dalle normative ed ha un costo di esercizio superiore alla Caldaia Idrosonica e soprattutto è alimentata a metano, cosa che ci impedirà di raggiungere il nostro obiettivo, ovvero l’indipendenza energetica, oltre allo stress dei continui aumenti di costo del metano.
Quindi alla fine la Caldaia Idrosonica risulta essere il sistema migliore per riscaldare casa e produrre acqua sanitaria, in quanto si raggiunge un giusto compromesso tra resa e costo di acquisto. Non siamo obbligati ad installarla in zone della casa vincolanti, in quanto non abbiamo canne fumarie. E’ una macchina elettrica , quindi adatta al raggiungimento dell’indipendenza energetica, con un COP discreto, non subisce variazioni di resa a basse temperature, non dobbiamo fare i costosi controlli annui da parte di un tecnico, non costa cifre impegnative, oltre a garantire temperature di mandata molto elevate , fino a 120°, fatto molto importante per realizzare un accumulo termico notevole.

Alla luce di questa lunga analisi di confronto tra vari prodotti, siamo arrivati alla conclusione che il miglior sistema per produrre energia termica è una macchina chiamata appunto Caldaia Idrosonica , che sul mercato ancora non c’è e pochi la conoscono , ma perché?
A questo punto dobbiamo iniziare a parlare di questa misteriosa macchina. Se andate su internet sotto la voce Pompa idrosonica o caldaia idrosonica troverete delle notizie sulle sue origini, chi l’ha scoperta ed altre cose , comunque troverete poco da leggere, è un prodotto tenuto un po’ in disparte.
Il perché è molto semplice viviamo in un mondo dominato dagli interessi globali delle Lobby energetiche in una società dove tutti devono consumare i loro prodotti.
Ed anche i governi dei vari Paesi lucrano e si tengono in piedi con le accise e le tasse sui consumi, quindi ogni prodotto innovativo che và contro queste logiche deve essere fermato, osteggiato e fatto sparire in ogni modo.

Dobbiamo andare avanti con tecnologie obsolete inventate nel secolo scorso, inquinanti, costose e poco efficienti, perché il mondo si tiene in piedi con questa logica. Ma se ci riflettiamo bene sarebbe anche molto pericoloso cambiarlo in modo troppo repentino, perché creerebbe instabilità economica globale.
Ora da fonti certe sembra che un’azienda Italiana, per ora non faccio nomi, abbia messo a punto una caldaia Idrosonica migliorando il progetto iniziale e portando il COP ad oltre 2,5 quindi una Over Unity a tutti gli effetti.
La fase di ricerca , sviluppo , test , brevetto, certificazione e collaudo del prodotto sembra che sia arrivata nella fase finale ed a breve il prodotto verrà industrializzatoper la produzione in serie ed introdotto sul mercato con una formula nuova , che ancora non ci è dato sapere.
Se tutte queste notizie fossero confermate ci troveremo di fronte ad una novità che sconvolgerebbero gli attuali equilibri consolidati nel settore del riscaldamento dei fluidi.
Le sue applicazioni sia a livello industriale che domestico sono molteplici e renderanno questo prodotto di sicuro interesse.
Come tutte le novità che vanno a favore degli utenti finali e contro gli interessi delle Lobby si presume, verrà osteggiato ed ostacolato in tutti i modi .
Comunque staremo a vedere perché alla fine è il mercato che darà il giusto verdetto. Terremo comunque informati sugli sviluppi futuri di questo prodotto quanti ci seguono sul Web, e se ci saranno novità sia tecniche che commerciali sarà nostra premura ed interesse informarVi , perché nel nostro progetto di Casa a Costo Zero è una tecnologia da inserire perchè oltre a garantire una resa termica stabile, contribuirà ad abbassare i costi finali del progetto e nel prossimo articolo spiegheremo come inserire e sfruttare al meglio questa nuova tecnologia nella nostra abitazione.

Relatore
P.Ind. Stefano Pignotti