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PROGRAMMA DI RICERCA
italiano - english
Unità di Ricerca
- Università degli Studi di PARMA
INGEGNERIA INDUSTRIALE
PARMA(PR) - Università degli Studi di BOLOGNA
INGEGNERIA ENERGETICA,NUCLEARE E DEL CONTROLLO AMBIENTALE
BOLOGNA(BO) - Università degli Studi di PADOVA
FISICA TECNICA
PADOVA(PD) - Università degli Studi di BERGAMO
INGEGNERIA
BERGAMO(BG) - Università degli Studi di UDINE
ENERGETICA E MACCHINE
UDINE(UD)
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Classificazione scientifico-disciplinare
- Area scientifico disciplinare: Ingegneria industriale e dell'informazione
Classificazione brevettuale
- MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING ENGINES OR PUMPS
- HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT (fluid heaters having heat generating means and heat transferring means F24H; furnaces F27; details of heat-exchange apparatus of general
- REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT-PUMP SYSTEMS ([N: evaporation or evaporation apparatus for physical or chemical purposes, e.g. evaporation of liquids for gas phase reactions B01B1/00B]; heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants, or materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion C09K5/00; pumps, compressors F04; use of heat-pumps for domestic- or space-heating or for domestic hot-water supply F24D; air-conditioning, air-humidification F24F; fluid heaters using heat pumps F24H) [C0311]
- HEAT EXCHANGE IN GENERAL
Classificazione geografica
- Regione: Emilia Romagna
Bibliografia
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21. Cavallini, A., Del Col D., Doretti L., Matkovic M., Rossetto L., Zilio C., Condensation heat transfer and pressure drop inside multiport minichannels, 2nd Int. Conference on Microchannels and Minichannels, 625-632, Rochester NY,2004
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Parole Chiave
MICROCANALI; TRASMISSIONE DEL CALORE; FENOMENI ELETTRO-OSMOTICI; FLUSSI MONOFASE; FLUSSI BIFASE; EBOLLIZIONE; CONDENSAZIONE; PERDITE DI CARICO; LAB-ON-A-CHIPApplicazioni tecnologiche della microfluidica
Università degli Studi di ParmaAbstract
La ricerca ha come obiettivo lo studio dei fenomeni di trasporto in deflussi monofase e bifase in microcondotti aventi una dimensione caratteristica (diametro idraulico) inferiore a 4 mm al fine di mettere a punto correlazioni per il dimensionamento di microcomponenti a fluido. L'indagine sarà sia di tipo sperimentale che teorico ed ha l'intento di esplorare come i fenomeni di trasporto vengano modificati dagli effetti dovuti alla riduzione della scala geometrica caratteristica (effetti di scala) e dagli effetti che determinano una riformulazione delle equazioni della termofluidodinamica per mezzi continui e/o delle loro condizioni al contorno (micro-effetti). L'indagine è mirata ad evidenziare il ruolo svolto dai singoli effetti di scala e micro-effetti sul valore delle perdite di carico e del coefficiente di scambio termico convettivo per mettere a punto nuove correlazioni in grado, ove necessario, di sostituire quelle utilizzate per condotti di dimensioni ordinarie. Il progetto prevede lo studio di efflussi monofase (gas e liquidi) e bifase (sia in condensazione che in ebollizione). I fluidi di lavoro che verranno impiegati sono stati scelti pensando alle possibili applicazioni tecnologiche dei microdispositivi nell'ambito del controllo termico di componenti elettronici (fluidi frigoriferi HCF, FC72, R404a, CO2, aria, N2) o per la realizzazione di "lab-on-a-chip" (H2O). In Tabella 1 viene mostrata la ripartizione del lavoro tra le diverse Unità di Ricerca. L'attività prevista per lo studio degli efflussi monofase in microcondotti sarà sia di tipo teorico che sperimentale mentre per lo studio degli efflussi bifase è stata prevista attività sperimentale con analisi dei dati. Le misure e i modelli sviluppati per gli efflussi monofase saranno utili nel momento dello sviluppo di modelli di calcolo del coefficiente di scambio e delle cadute di pressione in presenza di condensazione ed ebollizione in quanto in genere la modellistica bifase fa riferimento ai modelli per deflusso monofase liquido o gassoso.La Tabella 1 mostra la complementarietà dei compiti di ricerca delle diverse Unità. Questo aspetto è messo in evidenza in maniera più chiara passando ad analizzare la suddivisione dell'analisi dei diversi effetti di scala e micro-effetti tra le Unità.
I principali effetti di scala che saranno studiati sono i seguenti:
•Effetti legati alla dissipazione viscosa;
•Effetti legati allo scambio termico coniugato fluido-parete;
•Effetti connessi alla comprimibilità del fluido;
•Effetti connessi alla interazione liquido-vapore (tensione superficiale, sforzo tangenziale e gravità).
I principali micro-effetti che saranno analizzati sono i seguenti:
•Effetti legati alla rarefazione
•Effetti legati a fenomeni elettro-osmotici
La suddivisione degli effetti tra le Unità è stata pensata al fine di affiancare per ogni effetto all'analisi teorica l'indagine sperimentale. Come si può osservare in Tabella 2, esistono argomenti di ricerca condivisi dalle diverse Unità per favorire l'interazione e lo scambio di informazioni e risultati.
L'attività delle singole Unità di ricerca sullo stesso argomento di ricerca è di norma complementare; le sovrapposizioni sono state pensate al fine di favorire lo scambio di dati tra le Unità di ricerca (in particolare tra le Unità che svolgono attività sperimentale e quelle che svolgono attività teorica) e risultano di fondamentale importanza per il bechmark dei risultati ottenuti e per il controllo delle procedure di calcolo e di misura seguite nella ricerca dalle diverse Unità.
Il progetto, come nel caso del PRIN03 dal titolo " Analisi dinamica e termica di flussi monofase e bifase in condotti miniaturizzati" di cui questo progetto è la naturale continuazione, si avvarrà del supporto esterno dell'Istituto di Termofluidodinamica dell'ENEA (Casaccia). <<<
Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca
Marco SPIGA Università degli Studi di PARMAObiettivo del Programma di Ricerca
I numerosi lavori apparsi in letteratura in questo ultimo decennio sullo studio dei fenomeni di trasporto in microcondotti hanno messo in evidenza come le classiche correlazioni utilizzate per la stima delle perdite di carico e dei coefficienti di scambio termico convettivo nei condotti di dimensioni ordinarie possono fornire previsioni non in linea con i risultati sperimentali. Il motivo di questa discrepanza tra risultati sperimentali e previsioni teoriche può essere spiegato osservando che l'effetto della miniaturizzazione spinta dei componenti introduce "effetti di scala" e veri e propri "micro-effetti" che necessitano una riformulazione dei modelli classici per lo studio della meccanica dei fluidi isotermi e non isotermi (equazioni di Navier-Stokes e dell'energia e condizioni al contorno di aderenza e di continuità della temperatura alla parete). Al momento non risultano ben chiari i limiti di azione degli effetti di scala e dei micro-effetti, ovvero non è univocamente chiarito in quali condizioni i diversi effetti iniziano a svolgere un ruolo non trascurabile sui fenomeni di trasporto alla microscala.Per questo motivo, lo scopo principale di questo Progetto di Ricerca è quello di investigare teoricamente e sperimentalmente i principali effetti di scala e micro-effetti al fine di mettere a punto correlazioni utili per la progettazione termofluidodinamica di microcomponenti a fluido.
I principali effetti di scala che saranno studiati nel Programma di Ricerca sono i seguenti:
•Effetti legati alla dissipazione viscosa;
•Effetti legati allo scambio termico coniugato fluido-parete;
•Effetti connessi alla comprimibilità del fluido;
•effetti connessi alla interazione liquido-vapore (tensione superficiale, sforzo tangenziale e gravità)in condensazione ed ebollizione;
I principali micro-effetti che saranno analizzati sono i seguenti:
•Effetti legati alla rarefazione
•Effetti legati a fenomeni elettro-osmotici
L'analisi di questi effetti è stato suddiviso tra le diverse Unità di Ricerca cercando per ogni effetto di affiancare all'analisi teorica l'indagine sperimentale.
Più dettagliatamente, i principali obiettivi del Programma di Ricerca possono essere così riassunti:
1.Analisi del ruolo degli effetti di scala e dei principali microeffetti sulle perdite di carico e sui coefficiente di scambio all'interno di microcondotti percorsi da efflussi monofase (liquidi e gassosi) e bifase (in condensazione e in ebollizione).
2.Realizzazione di un database contenente tutti i dati sperimentali raccolti durante la ricerca per lo studio degli effetti di scala. Tale database sarà integrato dai database già in possesso delle singole Unità di Ricerca costruiti con dati ottenuti su canali di dimensioni ordinarie. Il database sarà utilizzato come base comune per stabilire collaborazioni tra le diverse Unità di Ricerca su temi condivisi. Inoltre, il database verrà utilizzato al fine di proporre, ove se ne rilevasse la necessità, nuove correlazioni per la previsione delle perdite di carico e dei coefficienti di scambio convettivi nei microcomponenti a fluido.
3.Realizzazione di un prototipo per il raffreddamento di componenti elettronici basato su microcanali progettato secondo le indicazioni dei risultati ottenuti nel corso della presente ricerca.
4.Consolidamento dei Laboratori di Ricerca specificatamente rivolti a questo tipo di indagine (sezioni dedicate alle misure termiche e fluidodinamiche su microcomponenti e/o alla simulazione numerica di microcomponenti a fluido) nati presso l'Università di Bologna (Laboratorio di Microfluidica), l'Università di Bergamo (Laboratorio di Robotica e Microdispositivi) e l'Università di Padova.
5.La formazione di personale a contratto da destinare a questo specifico Programma di Ricerca. A questo scopo sono stati richiesti nel progetto n°3 assegni di ricerca (UniPd, UniUd, UniBg) e n°3 borse di studio (UniPd, UniPr, UniBg). <<<
Durata
24 mesiBase di partenza scientifica nazionale o internazionale
L'analisi della fluidodinamica e dello scambio termico all'interno di condotti miniaturizzati è un argomento di notevole interesse scientifico e tecnologico; ciò è testimoniato dai numerosi lavori apparsi su questo tema sulle più prestigiose riviste internazionali del settore, dai numerosi Congressi internazionali dedicati all'argomento (dall' Int. Conference on Heat Transfer and Transport Phenomena in Microscale tenuta a Banff del 2000 fino alla prossima terza edizione dell'Int. Conference on Microchannels and Minichannels dell'ASME che si terrà a Toronto a giugno del 2005) e dalla nascita di riviste specifiche (da Microscale Thermophysical Engineering a Microfluidics & Nanofluidics).La maggior parte della ricerca in questo settore è di tipo applicativo ed orientata alla costruzione di componenti miniaturizzati aventi compiti specifici. Negli ultimi anni, grazie agli enormi progressi effettuati nello sviluppo di tecniche di microlavorazione delle superfici, si sono moltiplicate le applicazioni tecnologiche dei microcomponenti che utilizzano o veicolano dei fluidi (Micro Flow Devices, MFD). I microcomponenti a fluido oggi permettono di realizzare un vasto range di funzioni; si va dai microcomponenti a fluido concepiti per effettuare operazioni elementari, quali il trasporto o il dosaggio di un fluido, per arrivare a MFD che realizzano veri e propri laboratori chimici miniaturizzati (lab-on-a-chip) permettendo il mescolamento, l'analisi e la sintesi di fluidi e miscele di fluidi anche estremamente complesse. Una delle principali difficoltà nella messa a punto di questi microcomponenti a fluido consiste nel controllo delle portate, dei volumi di fluido da manipolare e della temperatura. Per poter progettare questi microcomponenti è quindi necessario studiare come i fenomeni di trasporto si modificano al ridursi della dimensione geometrica caratteristica dell'efflusso. In questi ultimi anni numerose indagini teoriche e sperimentali finalizzate allo studio degli efflussi liquidi e gassosi all'interno di canali aventi dimensioni caratteristiche inferiori al millimetro hanno stabilito che le tecnologie provate su scale geometriche ordinarie risultano inefficienti o del tutto inadeguate quando la scala geometrica dei componenti si riduce a qualche micron. Una dettagliata analisi e comparazione dei risultati sperimentali apparsi in letteratura negli ultimi 20 anni è stata effettuata da Morini [1] nell'ambito del progetto nazionale PRIN03 dal titolo "Analisi dinamica e termica di flussi monofase e bifase in condotti miniaturizzati".Tale progetto costituisce la base di partenza scientifica nazionale di questo nuovo progetto, essendone la ricerca proposta la naturale continuazione.
Nell'ambito di tale progetto è stato possibile iniziare l'allestimento di alcuni Laboratori Universitari dedicati allo studio sperimentale della microfluidica (Laboratorio di Microfluidica del DIENCA presso l'Università di Bologna e il Laboratorio di Robotica e Microdispositivi presso l'Università di Bergamo), creare specifici impianti sperimentali (studio della condensazione nei microtubi presso il Dipartimento di Fisica Tecnica dell'Università di Padova), creare modelli numerici ed analitici (UniPd, UniPr) finalizzati allo studio dei fenomeni di trasporto nei microcondotti. I risultati ottenuti sono testimoniati dalle pubblicazioni che le varie Unità di Ricerca hanno prodotto [1-22].
I principali risultati ottenuti dalle diverse Unità che partecipano anche a questo progetto hanno riguardato lo scambio termico convettivo di efflussi monofase (liquidi e gassosi) all'interno di microcanali metallici e in silicio [1-6], lo studio degli effetti dei fenomeni di non aderenza alla parete degli efflussi gassosi nei microcondotti [7-11], gli effetti elettro-osmotici tra fluido e parete nei condotti in silicio [12], il progetto di nuovi microdissipatori [13-16], gli effetti della rugosità della superficie dei microcondotti sulle perdite di carico e sui coefficienti di scambio [17-18], lo studio della condensazione di fluidi refrigeranti all'interno di minicanali e microcanali [19-22].
Questi lavori hanno permesso di evidenziare come, in alcuni casi, le classiche correlazioni utilizzate per la stima delle perdite di carico e dei coefficienti di scambio termico convettivo nei condotti di dimensioni ordinarie possono fornire previsioni non in linea con i risultati sperimentali. Il motivo di questa discrepanza tra risultati sperimentali e previsioni teoriche può essere spiegato osservando che l'effetto della miniaturizzazione spinta dei componenti introduce "effetti di scala" e veri e propri "micro-effetti" che necessitano una riformulazione dei modelli classici per lo studio della meccanica dei fluidi isotermi e non isotermi (equazioni di Navier-Stokes e dell'energia e condizioni al contorno di aderenza e di continuità della temperatura alla parete).
Si definiscono "effetti di scala" quegli effetti che possono essere considerati trascurabili nella scala di riferimento ma che diventano importanti quando la scala viene cambiata [23,24]. Ad esempio, la riduzione del diametro idraulico di un canale comporta una riduzione del volume del condotto maggiore della riduzione subita dalla sua superficie per cui il rapporto area/volume tende ad essere elevato nei microsistemi a fluido. Questo comporta un peso preponderante alla microscala delle forze di superficie rispetto a quelle di volume e ciò si traduce, nelle equazioni di bilancio, in una maggiore importanza dei termini di flusso rispetto ai termini di accumulo o di generazione. Per questo motivo il comportamento fisico dei microefflussi può essere nettamente differente rispetto a quello degli efflussi in condotti di dimensioni ordinarie.
L'evoluzione dei regimi di efflusso nei flussi bollenti o in condensazione all'interno di tubi miniaturizzati ne è un esempio. Il ruolo preponderante delle forze di superficie (forze capillari) rispetto alle forze di volume diversifica nettamente la successione dei regimi di efflusso sopprimendo la fase di stratificazione della fase liquida.
In letteratura sono stati individuati una serie di effetti di scala che tendono ad assumere un ruolo fondamentale nei fenomeni di trasporto negli efflussi monofase alla microscala:
(i) Effetti coniugati di scambio termico tra fluido e parete [25-27]
(ii) Effetti legati alla rugosità superficiale dei microcondotti [28-29]
(iii) Effetto della dissipazione viscosa [30-32]
(iv) Effetti legati alla conduzione assiale [33-35]
(v) Effetti legati alla compressibilità [36-38]
(vi) Effetti connessi alla interazione liquido-vapore (tensione superficiale, sforzo tangenziale e gravità) in ebollizione e condensazione [39-42]
Si definiscono "micro-effetti" gli effetti che determinano una riformulazione delle equazioni della termofluidodinamica e/o delle condizioni al contorno ad esse associate, quando la scala geometrica si riduce. Appartengono a questa categoria i seguenti effetti:
(i) Effetti legati alla rarefazione [43-45];
(ii) Effetti elettro-osmotici (EDL) [46-48];
Il presente progetto ha per obiettivo quello di studiare questi singoli effetti, al fine di comprendere come i fenomeni di trasporto alla microscala ne restino influenzati.
Come si può notare osservando le pubblicazioni [1-22], alcuni di questi effetti sono stati oggetto di studio nel corso del progetto PRIN03 da parte delle diverse Unità di Ricerca. La proposta di continuare l'indagine su certi effetti anche in questo nuovo progetto nasce proprio dall'esigenza di continuare filoni di ricerca che hanno mostrato la necessità di ulteriore sperimentazione e approfondimento.
In questo, il presente progetto si configura come la naturale continuazione del progetto PRIN03 che ha dato ai partecipanti notevoli soddisfazioni scientifiche e ha fatto nascere molte attività condivise tra i gruppi di ricerca.
Proprio il lavoro svolto negli ultimi anni dalle diverse Unità ha suggerito in che direzione ampliare la ricerca e quali nuovi filoni di ricerca attivare. Ciò ha condotto ad allargare la lista degli effetti di scala e dei microeffetti da investigare nell'ambito di questo nuovo progetto di ricerca scientifica.
L'indagine che viene proposta sarà di tipo sia teorico sia sperimentale e verrà finalizzata alla messa a punto di correlazioni utili per la progettazione termofluidodinamica di microcomponenti a fluido. <<<





