RICERCA ITALIANA     

Tecniche innovative per l'intensificazione della convezione forzata

Università degli Studi di Udine

Abstract

Il progetto di ricerca riguarda tecniche innovative per l'intensificazione della convezione forzata in scambiatori di calore compatti ed in dissipatori di calore. Queste tecniche comprendono l'uso ottimale di sistemi passivi, come canali ondulati, generatori di vortici, alette corrugate ed alette interrotte e la realizzazione di sistemi attivi azionati mediante MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems);

In molte situazioni d'interesse tecnico, il trasporto convettivo di calore ed il trasporto convettivo di massa avvengono simultaneamente. Esempi di questo tipo sono il recupero di calore sensibile e latente nelle caldaie e negli essiccatori, ed i processi di deumidificazione nel condizionamento dell'aria. Una conseguenza importante della condensazione del vapore acqueo è l'incremento dei carichi termici conduttivi sulle alette, con la conseguente diminuzione delle efficienze delle alette ben sotto i valori d'aletta "asciutta" (generalmente prossimi all'unità). In tali situazioni, l'assunzione semplificativa di condizioni al contorno di temperatura costante sulle pareti solide non è più valida ed i metodi tradizionali di progetto ed ottimizzazione, basati sulla ben nota analogia tra convezione di calore e di massa, non possono più essere utilizzati. Per colmare questa lacuna, qui viene proposta una serie ben coordinata di indagini sia sperimentali sia numeriche.

Il comportamento in regime transitorio è un altro aspetto del funzionamento degli scambiatori di calore compatti che non è stato ancora completamente indagato. Qui ci si propone di studiare, sia sperimentalmente sia numericamente, il comportamento in transitorio degli scambiatori di calore compatti soggetti ad una gran varietà di condizioni operative, tra cui lo scambio convettivo simultaneo di calore e di massa all'esterno, e l'evaporazione e la condensazione all'interno.

L'intensificazione della convezione forzata, infine, è di primaria importanza anche per la progettazione dei dissipatori di calore utilizzati nell'industria elettronica. In particolare, il continuo aumento della densità circuitale nei microprocessori ha stimolato l'interesse per nuove tecniche di raffreddamento basate sull'impiego di piastre a liquido, con alette a spillo ("pin-fins") d'altezza ridotta rispetto alla dimensione trasversale. Per promuovere la turbolenza e per migliorare le prestazioni termiche delle piastre con alette a spillo raffreddate a liquido, senza incrementare le portate di liquido, qui viene proposto l'uso di sistemi attivi che utilizzano superfici vibranti azionate mediante MEMS. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Gianni COMINI Università degli Studi di UDINE

Obiettivo del Programma di Ricerca

La presente ricerca si propone di aiutare l'industria italiana a restare competitiva sul mercato degli scambiatori di calore compatti, sia del tipo a piastre alettate sia del tipo a batterie alettate. Di fatto gli scambiatori di calore compatti sono un prodotto maturo e l'industria italiana è obbligata a ridurre i costi ed a incrementare lo scambio termico per superare la concorrenza dei produttori asiatici. Gli utilizzatori sono particolarmente sensibili al rapporto prezzo/ prestazioni ed è chiaro che l'industria italiana deve competere soprattutto sul fronte delle prestazioni. Le nostre proposte di ricerca includono quindi una serie di studi su alette di grande efficienza capaci di incrementare considerevolmente lo scambio termico dal lato aria (punto debole tradizionale degli scambiatori di calore compatti).

L'intensificazione della convezione permette, innanzi tutto, di produrre scambiatori più compatti e quindi meno costosi. Inoltre essa permette di avere differenze di temperatura più ridotte in condensatori ed evaporatori, e quindi di compensare gli scadimenti delle prestazioni indotte dai nuovi fluidi frigorigeni e dai materiali compatibili con essi. In questo modo si può occupare quella nicchia molto significativa di mercato dove l'esigenza prioritaria è la sostituzione degli attuali fluidi frigorigeni con altri a più basso impatto ambientale. Infine il raggiungimento di alti coefficienti di convezione con velocità dell'aria relativamente basse permetterà di ridurre considerevolmente le emissioni sonore associate con le apparecchiature tradizionali.

Bisogna tuttavia osservare che le alette ad efficienza migliorata rischiano di perdere la loro efficacia in regime umido, cioè nelle applicazioni di raffreddamento, perchè il carico termico latente e l'acqua condensata peggiorano il trasferimento di calore. Le ragioni vanno ricercate nell'insufficiente capacità di conduzione delle normali alette (raffrontata al carico termico supplementare), ed al riempimento degli intagli delle alette da parte del film d'acqua condensata. Pertanto qui si propone di ottimizzare alcune geometrie di alette da impiegare negli scambiatori di calore compatti in condizioni di trasferimento simultaneo di calore sensibile e latente.

Infine ci si propone di ottimizzare anche il comportamento termico degli scambiatori di calore compatti durante le fasi di messa in funzione e di spegnimento degli impianti, onde fornire all'industria strumenti di progetto adeguati per tutte le fasi di funzionamento

Nel campo dei dissipatori di calore per l'industria elettronica, l'obbiettivo principale della ricerca è la realizzazione di nuovi dispositivi per l'intensificazione della convezione, basati su superfici vibranti azionate mediante MEMS. Una piastra raffreddato a liquido, corredata di MEMS per promuovere la turbolenza, sarà prima testata in un circuito idraulico ed in seguito montata nel "case" di un personal computer.

Infine va sottolineato che saranno impiegate tecniche avanzate sia sperimentali sia numeriche. Di conseguenza, saranno acquisite nuove abilità in ambito sperimentale nei campi della termografia laser ed olografica, della fotografia speckle e della velocimetria laser. Analogamente, si contribuirà al progresso della termo-fluidodinamica computazionale mediante la produzione di nuovi codici di calcolo e l'accumulo d'esperienze nell'uso di codici commerciali. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Negli ultimi anni l'intensificazione della convezione forzata è stata indagata, sia sperimentalmente sia numericamente, negli scambiatori di calore compatti, dei tipi a piastre alettate ed a batterie alettate, e nei dissipatori di calore per l'industria elettronica. Gli studi svolti finira, tuttavia, hanno riguardato, essenzialmente, lo scambio termico sensibile in regime stazionario e l'impiego di sistemi passivi per l'intensificazione della convezione forzata. Gli sviluppi tecnologici più importanti, proposti in questa ricerca, riguarderanno l'impiego di
- scambiatori di calore compatti nel caso della convezione simultanea di calore e di massa,
- scambiatori di calore compatti in regime transitorio e
- sistemi attivi d'intensificazione della convezione forzata nei dissipatori di calore per l'industria elettronica.

La base di partenza scientifica è costituita dai numerosissimi contributi alla letteratura tecnica pubblicati in passato dai ricercatori del nostro gruppo, e dalla conoscenza della letteratura tecnica internazionale da essi acquisita nel corso delle loro ricerche. Le considerazioni esposte nel seguito e la nutrita bibliografia riportata nel Punto 2.2.a supportano queste affermazioni.

SCAMBIATORI DI CALORE COMPATTI
Gli scambiatori di calore compatti sono caratterizzati da un elevato rapporto tra superficie di scambio e volume (dell'ordine, almeno, di 700 metri quadrati per metro cubo). La disponibilità di questi scambiatori ha rivoluzionato i tradizionali processi di scambio termico in campi quali il recupero di calore ed il condizionamento dell'aria. La riduzione delle sezioni di passaggio (causata dall'aumento del rapporto superficie/volume) e la simultanea riduzione delle velocità d'attraversamento (causata dalla necessità di contenere le perdite di carico e le emissioni sonore) hanno richiesto una revisione completa delle procedure tradizionali di progetto. Allo scopo di mantenere alte efficienze nella trasmissione del calore, oltre ad incrementare le superfici di scambio mediante un uso estensivo d'alette si sono dovuti utilizzare dispositivi per l'intensificazione della convezione nella forma di corrugazioni, interruzioni di superficie e "winglets". Sebbene, diversi risultati di ricerca nel settore abbiano già trovato applicazione industriale vi sono ancora molti margini per altre innovazioni.


Trasporto di calore e di massa
Il funzionamento degli scambiatori di calore compatti con temperature sulle superfici di scambio al di sotto della temperatura di rugiada non è ancora completamente chiarito. Per esempio la ben nota analogia tra convezione di calore e di massa non è più sufficiente per il progetto di scambiatori di calore compatti operanti in condizioni d'intensa deumidificazione. Quando si ha condensazione intensa di vapore acqueo sulle superfici delle alette, l'apporto del calore latente incrementa fortemente il carico termico conduttivo totale. Di conseguenza, le efficienze delle alette scendono ben sotto i valori d'aletta asciutta generalmente prossimi all'unità) e l'assunzione semplificativa di condizioni al contorno di temperatura costante sulle pareti solide non è più valida. Nuove indagini sperimentali sono quindi necessarie per raccogliere informazioni sulle distribuzioni di goccioline d'acqua, temperature superficiali e coefficienti di convezione, come anche sui campi di velocità e temperatura nei canali d'attraversamento. Questi risultati sperimentali, consentiranno di sviluppare nuovi modelli numerici per la soluzione di problemi di conduzione e convezione fortemente accoppiati, nei quali le condizioni al contorno per lo scambio convettivo di calore e di massa sono pesantemente influenzate dalla conduzione nell'aletta.

Funzionamento in transitorio
Raccogliere informazioni sul comportamento in transitorio degli scambiatori di calore compatti è un passo essenziale verso l'ottimizzazione dei sistemi di controllo degli impianti termici. Per le apparecchiature usate nella pratica, infatti, l'assunzione semplificativa di comportamento stazionario fornisce risultati soddisfacenti solo per brevi intervalli di tempo. Quindi nel presente programma di ricerca ci si propone di indagare, sia sperimentalmente sia numericamente, la risposta in transitorio degli scambiatori di calore compatti soggetti ad una gran varietà di condizioni operative, comprendenti lo scambio convettivo simultaneo di calore e di massa, dal lato aria, e l'evaporazione e la condnsazione all'interno dei tubi.

DISSIPATORI DI CALORE
I più recenti sviluppi tecnologici riguardanti l'intensificazione della convezione forzata nei dissipatori di calore a servizio dell'industria elettronica sono collegati all'impiego delle piastre con alette a spillo raffreddate a liquido. Sono già state studiate diverse forme geometriche e disposizioni di alette a spillo e le buone prestazioni termiche ottenute forniscono la motivazione per continuare gli studi in quest'ambito, con il proposito d'incrementare ulteriormente i flussi termici per unità di superficie. A questo scopo, l'utilizzo di sistemi attivi per l'incremento della convezione sembra essere la risposta giusta. Questi sistemi sono in grado di promuovere la turbolenza attraverso le vibrazioni indotte da MEMS sulla superficie della piastra. Infatti i coefficienti locali di scambio termico dipendono dalla frequenza, ampiezza e forma d'onda delle oscillazioni indotte sulla superficie in cui le alette a spillo sono montate. I MEMS, con dimensioni che vanno da poche decine di millimetri a pochi micron, saranno costituiti da un circuito integrato che comanda una micro-membrana, o da un materiale "a memoria di forma" azionato direttamente da una differenza di potenziale elettrica. Le tecnologie per la realizzazione dei sistemi a MEMS qui proposti sono già impiegate per la costruzione d'accelerometri <<<