RICERCA ITALIANA     

Tecniche innovative per l'intensificazione della convezione forzata

Università degli Studi di Parma

Abstract

La trasmissione del calore per convezione, pur costituendo un tema ben noto nei suoi elementi di base, richiede ancora attività di ricerca scientifica in relazione alle possibili applicazioni. Tra le applicazioni di rilevante interesse pratico in ambito, sia civile, sia industriale, vanno certamente menzionate quelle che si avvalgono delle tecniche di intensificazione della convezione.

Il progetto di ricerca, di durata biennale, è incentrato su questa tematica e si pone l’obiettivo di coordinare gli sforzi di una parte della comunità scientifica italiana nell’ambito della termofluidodinamica verso l’approfondimento delle conoscenze, sia di base, sia applicative correlate ai meccanismi di incremento dello scambio termico convettivo di massa ed energia.

Nonostante la letteratura scientifica nell’ambito delle tecniche di incremento dello scambio termico convettivo, sia attive sia passive, sia ampia e diversificata e nonostante sia dimostrato il significativo vantaggio in termini di riduzione dei costi energetici e di ingombro degli apparati di scambio termico correlato al loro impiego, l’applicazione di queste tecnologie nell’ambito di alcuni settori industriali risente di un certo ritardo o comunque necessita dello sviluppo e dell'implementazione di tecniche di ottimizzazione. Tali difficoltà sono in parte correlate alla separazione, che i proponenti auspicano di colmare indirettamente anche grazie a questo progetto di ricerca, esistente in Italia tra mondo produttivo e mondo della ricerca scientifica in ambito accademico.

Le attività proposte dalle cinque unità di ricerca si configurano nell’ambito del progetto complessivo come complementari e hanno come finalità principale quella di colmare alcune delle lacune scientifiche e tecnologiche, già note ai proponenti, nell’ambito della ricerca applicata alla ottimizzazione degli apparati di scambio termico e di ottenere, rispetto al corrente stato dell'arte nel settore, progressi significativi e industrialmente applicabili.

Nella prima fase ci si occuperà in particolare della messa a punto di metodologie, sia sperimentali sia numeriche, finalizzate alla modellizzazione ed interpretazione del fenomeno, mentre, nella seconda fase, ci si concentrerà sulle applicazioni d'interesse industriale.

La ricerca si propone di affinare e validare strumenti avanzati di indagine numerica e di elaborazione dati, con particolare attenzione agli aspetti più critici del problema correlati alla tridimensionalità ed instabilità del flusso e alla stima del coefficiente di scambio di energia e, quindi, alla determinazione delle prestazioni delle superfici di scambio termico, anche in condizioni di condensazione superficiale.

Il comportamento in regime transitorio è un altro aspetto del funzionamento degli scambiatori di calore 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, l’evaporazione e la condensazione.

Il progetto è rivolto principalmente al settore industriale degli scambiatori di calore, con particolare riferimento ai settori della refrigerazione e del condizionamento dell’aria. In tali ambiti, la progettazione e il dimensionamento degli impianti sono spesso resi critici dalla mancanza di strumenti affidabili ed accurati in grado di predire le prestazioni termiche degli apparati di scambio termico. Per colmare questa lacuna, qui viene proposta una serie coordinata di indagini sia sperimentali sia numeriche.

L’intensificazione della convezione forzata, è di primaria importanza anche per la progettazione dei dissipatori di calore utilizzati nell’industria elettronica e dei beni di consumo. 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.

Infine, anche relativamente al settore applicativo dei riscaldatori elettrici, vi sono problemi sorprendentemente aperti. I banchi di resistenze elettriche a filo, del tipo utilizzato in questi apparati, non sono mai stati investigati estesamente, nonostante la loro diffusione. Questa lacuna scientifico-applicativa merita di essere colmata. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Sara Rainieri Università degli Studi di PARMA

Obiettivo del Programma di Ricerca

La presente attività di ricerca si propone di approfondire aspetti sia di base sia applicativi sulle tecniche di intensificazione della convezione forzata. I proponenti intendono fornire utili strumenti a supporto dell’industria italiana affinché possa restare competitiva sul mercato degli scambiatori di calore, in particolar modo degli scambiatori compatti, sia del tipo a piastre alettate sia del tipo a batterie alettate. Infatti, le cinque Unità di Ricerca hanno direttamente o indirettamente contatti con aziende del settore, per cui il progetto qui proposto avrà una forte ricaduta sull’industria nazionale in relazione alla capacità di progettazione e innovazione degli apparati di scambio termico. Di fatto gli scambiatori di calore compatti sono un prodotto maturo e l’industria italiana è obbligata a ridurre i costi e ad incrementare lo scambio termico per superare la concorrenza dei produttori stranieri. 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 gas (punto debole tradizionale degli scambiatori di calore compatti).
L’intensificazione della convezione permette, innanzi tutto, di produrre scambiatori meno ingombrati e quindi più economici. Peraltro, nei settori della refrigerazione e del condizionamento, lo sviluppo di tecniche finalizzate all’incremento della efficienza degli scambiatori di calore, è reso ancor più stringente ed attuale dalla necessità di compensare gli svantaggi apportati, in termini di riduzione delle prestazioni di scambio termico, dai nuovi fluidi frigorigeni, che stanno gradualmente sostituendo i convenzionali fluidi sintetici dannosi per l’ambiente. Infine il raggiungimento di alti coefficienti di convezione con velocità dell'aria relativamente bassa consente di ridurre considerevolmente le emissioni sonore e i fenomeni dissipativi associati con le apparecchiature tradizionali.
Gli obiettivi della presente ricerca si inseriscono in questo ambito e vengono globalmente di seguito descritti. Gli obiettivi specifici di ciascun progetto locale verranno successivamente descritti in dettagli nel punto 14 (ruolo di ciascuna unità di ricerca)

Uno dei punti critici nel dimensionamento degli scambiatori di calore è correlato al possibile instaurarsi di un regime di convezione umido, in cui cioè sulla superficie di scambio termico si instaura il fenomeno della condensazione. In questa situazione, che frequentemente si incontra nei settori della refrigerazione e del condizionamento dell’aria, le alette ad efficienza migliorata rischiano di perdere la loro efficacia a causa dell'insufficiente capacità di conduzione, raffrontata al carico termico supplementare, e a causa del riempimento degli intagli delle alette da parte del film d'acqua condensata.
Peraltro, la corretta previsione degli effetti dell’intervento inteso all’intensificazione dello scambio termico risulta particolarmente critica proprio nelle condizioni sopra citate, in cui allo scambio di energia all’interfaccia è associato lo scambio di massa, come, per esempio, accade nella deumidificazione di correnti di aria umida per condensazione superficiale del vapore d’acqua. Mentre nel caso della convezione monofase metodologie di indagine ormai consolidate possono mettere a disposizione del progettista dati sufficientemente affidabili in relazione alle più diffuse tecniche di intensificazione, in presenza di condensazione superficiale l’effetto delle pur usuali tecniche di intensificazione non è stato ancora indagato in dettaglio.

Pertanto qui si propone di approfondire il fenomeno della convezione forzata interna ed esterna, in presenza anche di condensazione superficiale e di affinare strumenti di indagine e modellazione che consentano di prevedere le prestazioni di superfici a scambio termico incrementato. In particolare uno degli obiettivi della ricerca è quello di perfezionare metodi di stima del coefficiente locale di scambio di energia in presenza di condensazione superficiale. Questo risultato è fondamentale al fine di ottimizzare il dimensionamento delle alette da impiegare negli scambiatori di calore in condizioni di trasferimento simultaneo di calore sensibile e latente.

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

Altro settore nel quale la presente ricerca intende dare il proprio contributo è quello relativo alla modellazione delle tecniche di incremento della convezione basate sull’impiego di sistemi finalizzati alla instabilizzazione dello strato limite fluidodinamico e, quindi, alla promozione dell’instaurarsi di un regime di scambio turbolento.
Tali sistemi si basano principalmente sull’impiego di tecniche di incremento sia passive (superfici con particolari configurazioni geometriche quali le alette a strisce sfalsate, a persiana, perforate, ondulate), sia sull’impiego di tecniche attive (superfici vibranti).

Relativamente ai sistemi passivi, il presente progetto si propone in particolare di perfezionare le tecniche numeriche per la modellazione della turbolenza, rendendole applicabili anche a geometrie complesse.
A riguardo delle tecniche attive di incremento della convezione, il progetto si propone di sperimentare dispositivi innovativi per l’intensificazione della convezione, basati su superfici vibranti azionate mediante MEMS (attuatori piezoelettrici miniaturizzati), considerando anche il caso di flussi confinati.

Infine va sottolineato che, per raggiungere tali obiettivi, saranno impiegate tecniche avanzate sia sperimentali sia numeriche. Di conseguenza, saranno acquisite nuove abilità in ambito sperimentale nei campi della interferometria olografica, fotografica speckle e della velocimetria laser. Analogamente, si contribuirà al progresso della termo-fluidodinamica computazionale mediante la messa a punto di nuovi codici di calcolo e l’accumulo d’esperienze nell’uso di codici commerciali. <<<

Risultati parziali attesi

I principali risultati attesi dalla ricerca sono stati descritti analiticamente per ciascuna unità di ricerca nel punto 14.

Nel complesso, il progetto si propone di coordinare gli sforzi di una parte della comunità scientifica italiana nell’ambito della termofluidodinamica verso l’approfondimento delle conoscenze, sia di base, sia applicative correlate ai meccanismi di incremento dello scambio termico convettivo di massa ed energia.
L’obiettivo principale è quello di colmare alcune lacune scientifiche e di approfondire tematiche tuttora aperte nell’ambito del settore delle tecniche, sia ttive sia passive, volte all’intensificazione della convezione.
Il progetto, articolato in due fasi annuali, si propone dapprima di affinare metodologie, sia sperimentali sia numeriche, finalizzate alla modellizzazione ed interpretazione dei fenomeni correlati all’impiego delle tecniche di incremento della convezione, sia mono-fase sia in condizioni di condensazione superficiale. Successivamente si propone di applicare la metodologia di indagine alle applicazioni d'interesse industriale.
I risultati attesi si configurano come utili strumenti a supporto dell’industria italiana affinché possa restare competitiva sul mercato degli scambiatori di calore, in particolar modo degli scambiatori compatti, sia del tipo a piastre alettate sia del tipo a batterie alettate. Infatti, le cinque Unità di Ricerca hanno direttamente o indirettamente contatti con aziende del settore, per cui il progetto qui proposto avrà una forte ricaduta sull’industria nazionale in relazione alla capacità di progettazione e innovazione degli apparati di scambio termico.
Peraltro, in alcuni settori industriali, l’applicazione delle tecnologie di incremento della convezione risente di un certo ritardo o comunque necessita dello sviluppo e dell'implementazione di tecniche di ottimizzazione. Tali difficoltà sono in parte correlate alla separazione, che i proponenti auspicano di colmare indirettamente anche grazie a questo progetto di ricerca, esistente in Italia tra mondo produttivo e il mondo della ricerca scientifica svolta in ambito accademico.
Le ricerche proposte dalle singole unità si configurano nell’ambito del progetto complessivo come complementari e hanno come finalità principale quella di colmare alcune delle lacune scientifiche e tecnologiche, già note ai proponenti, nell’ambito della ricerca applicata alla ottimizzazione degli apparati di scambio termico e di ottenere, rispetto al corrente stato dell'arte nel settore, progressi significativi e industrialmente applicabili.

Più in dettaglio le potenzialità applicative della ricerca proposta riguardano:
-Lo sviluppo di metodologie sperimentali di stima delle prestazioni di superfici di scambio termico, anche in condizioni di condensazione superficiale.
-La valutazione dell’efficacia di tecniche di incremento basate su corrugazioni e/o su trattamenti superficiali finalizzati alla promozione della modalità di condensazione a gocce.
-Il dimensionamento di scambiatori di calore impiegati nel settore della refrigerazione e del condizionamento dell’aria. Infatti il numero crescente di applicazioni dove gli scambiatori di calore compatti operano a temperature inferiori a quella di rugiada richiede lo sviluppo di nuove procedure di calcolo affidabili, validate da opportuni confronti con dati sperimentali.
-Correlazioni di scambio termiche per banchi di resistenze elettriche a filo impiegate nei riscaldatori elettrici ad aria.
-La formulazione di un modello numerico innovativo applicabile ai microdissipatori.
-La validazione di sistemi attivi di intensificazione della convezione su superfici alettate basati sull’applicazione di vibrazioni meccaniche in configurazione di flusso confinato.
-L’individuazione di criteri utili al controllo termico degli scambiatori di calore in condizioni di regime non stazionario, anche in presenza di condensazione superficiale.
-Sviluppo di codici, basati su algoritmi genetici, finalizzati alla previsione del comportamento dinamico degli apparati di scambio termico.
-La realizzazione di una vasta campagna sperimentale volta alla raccolta di una base di dati relativi alla convezione forzata di aria in canali con superfici sia ondulate sia piane con nervature variamente disposte rispetto alla direzione del flusso e sviluppo di corrispondenti correlazioni di scambio termico.
-La formulazione di modelli di turbolenza non lineari appropriati a geometrie complesse, come quelle a scambio termico incrementato.

Infine, mediante l’erogazione di borse di studio e assegni di ricerca da destinare a personale da coinvolgere nelle attività di ricerca previste dal presente progetto, si intende ottenere il risultato di formare ed addestrare giovani ricercatori in un settore strategico per lo sviluppo industriale italiano.

I risultati della ricerca verranno resi disponibili alla restente comunità scientifica mediante comunicazioni a congressi, sia nazionali, sia internazionali, nel settore dello scambio termico e mediante pubblicazioni su riviste scientifiche.

In considerazione dell'interesse applicativo della ricerca, si prevede anche che l'attività possa fornire l'occasione per la registrazione di brevetti di interesse industriale. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

L’esame della produzione scientifica a livello internazionale nell’ambito dello scambio termico rivela l’attualità e l’importanza dell’argomento delle tecniche di incremento della convezione, sia attive sia passive.
Gli studi svolti finora, tuttavia, hanno riguardato, essenzialmente, lo scambio termico in regime stazionario e l'impiego di sistemi passivi tradizionali per l'intensificazione della convezione forzata, applicabili, in particolare, a situazioni di convezione mono-fase.

I settori ai quali la presente ricerca si propone di dare il proprio contributo innovativo sono:
- tecniche sperimentali e tecniche numeriche finalizzate alla determinazione delle prestazioni delle superfici di scambio termico incrementato, anche in condizioni di trasporto simultaneo di energia e di massa, considerando anche il regime operativo non stazionario;
-dimensionamento dei dissipatori di calore che adottano sistemi attivi e passivi di intensificazione della convezione forzata.

La base di partenza scientifica in cui si colloca il presente progetto è costituita dai numerosissimi contributi alla letteratura tecnica pubblicati a livello sia internazionale sia nazionale, anche dai ricercatori del nostro gruppo, nel settore dell’incremento della convezione, relativamente agli ambiti applicativi sopra citati. Le considerazioni esposte nel seguito e la nutrita bibliografia riportata in calce ed inserita nei vari progetti locali supportano queste affermazioni.

Le tecniche passive di intensificazione della convezione si basano sulla modificazione del moto del fluido, eventualmente indotta da opportuna conformazione della parete di interfaccia. Nel caso del regime di moto laminare, che frequentemente si verifica negli scambiatori di calore compatti, cioè caratterizzati da un elevato rapporto tra superficie di scambio e volume (dell'ordine, almeno, di 700 metri quadrati per metro cubo), l’effetto di intensificazione desiderato è spesso ottenuto grazie alla instabilizzazione del moto, mentre, per valori del numero di Reynolds più elevati, un certo incremento del coefficiente di convezione è conseguente all’intensificazione della turbolenza indotta dalla particolare geometria di parete.
La soluzione tradizionalmente adottata in questa tipologia di scambiatori, generalmente è l'aumento della superficie di scambio attraverso l'uso di alette che incorporano dispositivi d'incremento dello scambio termico quali intagli, corrugazioni e promotori di vortici assiali.
La disponibilità di scambiatori di calore che adottano tali tecnologie 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. Sebbene, diversi risultati di ricerca nel settore abbiano già trovato applicazione industriale vi sono ancora molti margini per altre applicazioni innovative.

In primo luogo, il funzionamento degli scambiatori di calore compatti con temperatura delle 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, l'efficienza delle alette scende ben sotto i valori d’aletta asciutta, generalmente prossimi all’unità, e l’assunzione semplificativa di condizioni al contorno di temperatura costante alla parete non è più valida.
La corretta previsione degli effetti dell’intervento inteso all’intensificazione dello scambio termico risulta particolarmente critica in queste condizioni. In presenza di condensazione superficiale la maggior parte delle tecniche di intensificazione dello scambio termico si basa sulla promozione della modalità di condensazione a gocce e del drenaggio della condensa. È infatti noto che il processo di crescita delle gocce e la successiva rimozione della condensa determinano gli elevati coefficienti di scambio associati alla condensazione a gocce rispetto alla condensazione a film. La condensazione a gocce è solitamente ottenuta tramite l’applicazione di rivestimenti idrofobici di sostanze organiche, composti inorganici, polimeri ovvero rivestimenti a base di metalli nobili, che tendono a ridurre la bagnabilità della superficie.
In presenza di condensazione superficiale, la previsione dell’incremento dello scambio convettivo parete-fluido conseguente all’adozione di tecniche di intensificazione si presenta problematica, non solo per la difficoltà di risolvere i sistemi di equazioni differenziali fortemente non lineari che descrivono il fenomeno, ma anche per la difficoltà di modellare correttamente lo scambio di energia e di massa all’interfaccia, in relazione alla presenza del rivestimento idrofobico.
Una stima sperimentale del flusso di calore scambiato localmente all’interfaccia può essere ottenuta attraverso la risoluzione di un problema inverso di conduzione, in cui la temperatura all’interfaccia è assunta nota, mentre il flusso termico figura tra le grandezze incognite. Peraltro, tale problema inverso rientra nella categoria dei problemi mal posti, in cui errori nei valori della temperatura (supposta nota), pur dell’ordine di grandezza dell’approssimazione di misura, sono sufficienti a rendere la distribuzione di temperatura stessa inutilizzabile al fine della restituzione del flusso termico.

Anche relativamente all'applicazione dell’analisi numerica alla valutazione dell’efficacia delle tecniche di incremento della convezione, rimangono problemi aperti, soprattutto a riguardo della modellazione della turbolenza. I modelli di turbolenza originariamente implementati nei codici commerciali, come i modelli della famiglia k-epsilon, sono stati ampiamente utilizzati per via della loro stabilità e perché computazionalmente non onerosi, ma è ben noto che essi non possono predire alcune tipologie di flussi particolarmente complessi. Pertanto l’implementazione di modelli di turbolenza di ordine superiore non lineari, detti anche NLEVM (Non Linear Eddy Visocity Model), o indagini approfondite con un approccio di tipo LES (Large Eddy Simulation) sono essenziali per estendere le applicazioni della CFD (Computational Fluid Dynamics) a geometrie complesse, come quelle dei canali corrugati, dove le dimensioni caratteristiche interferiscono con quelle delle strutture geometriche e influenzano notevolmente il campo di moto.

Inoltre, è da osservare che nei lavori reperibili in letteratura nell’ambito della tematica della presente ricerca, si assume generalmente l’ipotesi semplificativa di regime stazionario. Tale ipotesi non consente né di prevedere il comportamento degli apparati di scambio termico, né di ottimizzare i relativi sistemi di controllo nelle reali situazioni operative.

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, è stato verificato con successo l’utilizzo di sistemi attivi per l’incremento della convezione, in grado di promuovere la turbolenza attraverso le vibrazioni indotte da MEMS sulla superficie della piastra.

A riguardo del settore dei riscaldatori elettrici ad aria, le resistenze elettriche a filo avvolte a spirale sono una delle soluzioni più convenienti per molte apparecchiature domestiche ed industriali che utilizzano riscaldatori elettrici ad aria. Tuttavia, nonostante il largo uso di questi componenti, in letteratura non esistono molti studi sullo scambio termico per convezione forzata da resistenze elettriche a filo, del tipo utilizzato ad esempio in molti apparecchi di uso domestico. Il nostro convincimento è che le simulazioni numeriche possano colmare questa lacuna informativa e condurre a correlazioni utilizzabili nella progettazione.

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