RICERCA ITALIANA     

SCAMBIO TERMICO IN MICROCOMPONENTI: INDAGINI TEORICHE E SPERIMENTALI PER LO SVILUPPO DI SOLUZIONI INNOVATIVE.

Università degli Studi di Parma

Abstract

Il progetto di Ricerca ha come obiettivo lo studio dei fenomeni di trasporto in deflussi monofase e bifase all’interno di mini e microcondotti aventi una dimensione caratteristica (diametro idraulico) inferiore a 4 mm. La ricerca è da considerarsi come la naturale continuazione e completamento dei precedenti PRIN sul tema della microfluidica (PRIN 2003 “Analisi dinamica e termica di flussi monofase e bifase in condotti miniaturizzati”, PRIN 2005 “Applicazioni Tecnologiche della Microfluidica”).
La ricerca avrà una ricaduta scientifica estremamente ampia legata alla migliore comprensione dell’influenza della microscala sui fenomeni di scambio termico per efflussi monofase e bifase.
L’impatto tecnologico della ricerca sarà quello di migliorare l’efficienza energetica e le prestazioni dei microcomponenti a fluido quali:

• Microattuatori a fluido per il controllo attivo di flussi aerodinamici
• Pompe a vuoto per l’elettronica e per la biologia
• Micro-sensori di portata, pressione e temperatura
• Microscambiatori per circuiti per il controllo termico dei componenti elettronici o per applicazioni chimiche
• Micropompe e microsistemi per il mixing o la separazione di reagenti chimici
• Microvalvole dosatrici

Si fa osservare come nel solo settore dei microsensori a gas il mercato mondiale ha raggiunto i 48.5 milioni di dollari USA nel 2005 e viene stimato che nel 2012 ammonterà a 80.6 milioni di dollari >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Marco Spiga Università degli Studi di PARMA

Obiettivo del Programma di Ricerca

I numerosi lavori apparsi in letteratura in questo ultimo decennio 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). Il lavoro svolto dal gruppo di ricerca nell’ambito dei PRIN precedenti è stato appunto finalizzato ad individuare in quali condizioni i diversi effetti iniziano a svolgere un ruolo non trascurabile sui fenomeni di trasporto alla microscala.
In questo progetto l’attenzione delle Unità di Ricerca sarà rivolto principalmente ai seguenti aspetti:

FLUSSI MONOFASE
• Analisi delle proprietà termofisiche dei nanofluidi (liquidi puri contenenti nanoparticelle metalliche in sospensione); effetto della tipologia, della concentrazione e delle dimensioni delle nanoparticelle sul valore della diffusività/conducibilità termica dei nanofluidi
• Analisi delle >>>

Risultati parziali attesi

La ricerca proposta avrà una ricaduta scientifica estremamente ampia legata alla migliore comprensione dell’influenza della microscala sui fenomeni di scambio termico per efflussi monofase e bifase.
I principali risultati scientifici attesi dalla ricerca proposta possono essere così riassunti:

1. Analisi delle caratteristiche di scambio termico dei nanofluidi (liquidi con nanoparticelle metalliche in sospensione) al fine di individuare nuovi e più efficienti fluidi termovettori. Questo permetterà di rendere più compatti i microsistemi a fluido a parità di potenza termica da evacuare. Lo studio di nuovi fluidi termovettori è un settore estremamente promettente che ha un impatto tecnologico immediato e può portare ad interessanti brevetti.

2. Realizzazione di codici di calcolo specifici per la progettazione CFD di micro-scambiatori o per il dimensionamento di sistemi per il controllo termico dei microdispositivi.

3. Elaborazione di nuovi modelli per lo studio dell’interazione fluido-parete in microcanali di geometria complessa nel caso di efflussi rarefatti. Attualmente la capacità predittiva dei modelli è estremamente bassa in quanto tali modelli sono stati dedotti per geometrie semplici che risultano molto diverse da quelle comunemente incontrate nelle applicazioni tecnologiche reali. L’uso di questi modelli abbinati a codici di calcolo commerciali può incrementare notevolmente l’attuale capacità predittiva dei fenomeni >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

In questi ultimi anni, lo studio della fluidodinamica e dello scambio termico all’interno di condotti miniaturizzati ha attratto l’attenzione di numerosi centri di ricerca ed industrie a livello internazionale. Le ridotte dimensioni dei microcomponenti a fluido, dotati di canali aventi diametri equivalenti inferiori al millimetro, esaltano infatti gli effetti di scala ed i micro-effetti che entrano in gioco nei fenomeni di trasporto introducendo differenze sostanziali nelle caratteristiche di scambio termico. Il tema della Microfluidica ha unito il gruppo di lavoro nei due PRIN precedenti.
Il lavoro effettuato nell’ambito delle azioni PRIN03 e PRIN05 dalle Unità di Ricerca che partecipano a questo progetto ha condotto ad un’accurata indagine teorica e sperimentale dei principali effetti di scala e micro-effetti, mirata ad individuare correlazioni e modelli teorici necessari per la corretta progettazione termofluidodinamica di micro componenti a fluido.
I finanziamenti ottenuti hanno permesso la creazione di nuovi laboratori universitari dedicati specificatamente allo studio della Microfluidica (Bologna: Laboratorio di Microfluidica presso DIENCA, Bergamo: Laboratorio di Microfluidica e Interfacce presso Dipartimento di Ingegneria) che sono nati e si sono velocemente sviluppati anche grazie alla intensa collaborazione con Laboratori di Ricerca non universitari quale il Laboratorio dell’ENEA (Casaccia) dell’Istituto di Termofluidodinamica coinvolto direttamente >>>