RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Studio e ottimizzazione di sistemi termici a controllo termogravitazionale

Università di riferimento

Università degli Studi di GENOVA - TERMOENERGETICA E CONDIZIONAMENTO AMBIENTALE - GENOVA(GE)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Mario MISALE

Descrizione

L'Unità di Ricerca (U.R.) di Genova si prefigge di investigare lo scambio termico convettivo in canali aperti e circuiti (loops). Lo studio avverrà principalmente per via sperimentale, su sezioni di prova realizzate ad hoc, adottando in sinergia strumenti d'indagine tradizionali (termocoppie, termoflussimetri) e di tipo ottico non intrusivo (metodo schlieren). Le esperienze avverranno in stretta collaborazione con le Unità di Ricerca di L'Aquila, Modena-Reggio Emilia, Trieste e Catania, per la validazione di codici di calcolo, di modelli interpretativi ed il confronto con altre tecniche sperimentali.
L'articolazione del lavoro previsto da questa U.R. è la seguente:

Fase 1, durata 12 mesi

1.1 Convezione naturale in canali aperti
Lo studio della convezione naturale in canali aperti sviluppato da questa U.R. avrà prevalentemente carattere sperimentale. La sezione di prova sarà costituita da un canale verticale formato da una parete piana, riscaldata a temperatura costante, e da una parete piana adiabatica. La parete riscaldata sarà realizzata in alluminio e collegata ad un riscaldatore elettrico piano per realizzare le desiderate condizioni di temperatura. La superficie esposta al deflusso d'aria sarà provvista di sporgenze trasversali, a sezione rettangolare e/o quadrata, disposte ad intervalli regolari. Le sporgenze saranno realizzate in alluminio (e "di pezzo" con la piastra base) oppure in plexiglas (o balsa), incollate alla superficie; ciò al fine di evidenziare l'effetto della conducibilità termica (alta nel primo caso e bassa nel secondo) sulle caratteristiche di scambio termico del canale. Nel corso della prima fase del progetto, verranno condotte le prove termiche al variare della differenza di temperatura tra parete "corrugata" e aria ambiente e per diversi valori della distanza tra le due pareti formanti il canale. Quest'ultimo parametro (aspect ratio del canale, vale a dire rapporto tra larghezza ed altezza) è estremamente importante poiché avvicina la fenomenologia in studio alle situazioni d'interesse pratico (nel caso in cui la parete corrugata "simula" una scheda elettronica, vi è sempre una paratia frontale che costringe l'aria di raffreddamento ad un percorso spesso stretto e tortuoso).
L'indagine sperimentale precedentemente descritta si avvarrà di una tecnica diagnostica totalmente non-intrusiva denominata "schlieren". Come descritto nella Base di Partenza Scientifica, l'U.R. di Genova dispone di un'apparecchiatura sperimentale, implementata negli anni, in grado di consentire una rilevazione puntuale del coefficiente di scambio termico convettivo tra una parete solida (di temperatura nota) ed un fluido trasparente. Il coefficiente di scambio termico convettivo, come noto, è un importante parametro prestazionale poiché definisce il flusso termico specifico scambiato per unità di differenza di temperatura. La sua mappatura lungo la superficie "corrugata", sede di scambio termico, è pertanto di grande importanza. Grazie alla tecnica sperimentale disponibile, che sarà ulteriormente perfezionata con la realizzazione di nuovi filtri (monocromatici e a colori) studiati "ad hoc" e con l'elaborazione delle immagini acquisite per via digitale direttamente su PC, si disporrà di una serie di informazioni sulle prestazioni locali e globali di scambio termico per ogni superficie di prova, nelle varie condizioni operative (al variare, ossia, del salto termico e dell'aspect ratio del canale).

1.2 Circolazione naturale in circuiti (loops)
Dalle informazioni riportate nella sezione "Base di partenza Scientifica" si può evincere come i sistemi a circolazione naturale, anche se studiati da diverso tempo, manifestino ancora approssimazioni e lacune nella comprensione del fenomeno fisico.
Sulla base di queste osservazioni l'attività che questa U.R. intende svolgere si basa sia su un approccio sperimentale che teorico.
In particolare i principali obiettivi che ci si pone sono quelli di definire in maniera esaustiva il comportamento dei circuiti a circolazione naturale di media taglia (ad esempio i riscaldatori solari) e di avviare una ricerca per molti versi innovativa sui mini-sistemi termoidraulici, ossia quelli caratterizzati da dimensioni dei condotti di qualche millimetro (da 4 a 10 mm).
Durante questa prima fase si condurrà una serie di prove sperimentali finalizzate ad individuare quei parametri operativi che, sintetizzati in opportuni numeri adimensionali, siano capaci di coinvolgere le diverse quantità che possono influenzare il comportamento termofluidodinamico di un circuito di medie dimensioni. Questa fase serve da riferimento per lo studio dei mini circuiti. Per quest'ultimi, il valore del diametro interno vincola altre dimensioni come la lunghezza dei tratti riscaldati ovvero raffreddati, e la distanza tra le sezioni di scambio termico. Questa parametrizzazione permette di mantenere costante l'aspect-ratio del circuito, facendone variare le dimensioni. Durante le diverse campagne sperimentali, oltre che alle condizioni al contorno termiche (flusso termico imposto e temperatura imposta al raffreddatore) bisognerà porre particolare attenzione alla strumentazione da usare per la misurazione delle grandezze più significative del sistema. In particolare, la misura più delicata è quella della velocità del fluido. Nei sistemi a circolazione naturale tale quantità raggiunge valori molto modesti (al massimo qualche decina di centimetri al secondo). Tutti i misuratori di velocità tradizionali utilizzano sensori di tipo intrusivo e, a questo proposito, anche quelli che nella applicazioni industriali sono definiti sicuramente non intrusivi (misuratori ad effetto elettromagnetico) introducono effetti anche loro problematiche non indifferenti quando sono impiegati in mini-sistemi. Una valida alternativa è quella di utilizzare un sensore di tipo eco-doppler pulsato. Tale sensore risolve molte problematiche nei circuiti di geometria cilindrica. Infatti la presenza della curvatura dei tubi, contribuisce ad aumentare in maniera significativa la difficoltà nella misura della velocità media, legata anche alla non uniforme distribuzione di velocità nel fluido. Questa attività sarà possibile grazie alla collaborazione con la U.R. di Modena-Reggio Emilia che metterà a disposizione un misuratore eco-doppler pulsato. Dapprima sarà utilizzato per la misura della velocità del fluido nel circuito di medie dimensioni, avendo come obiettivo quello di individuare la corretta metodologia di impiego in geometrie di questo tipo, e successivamente sarà adottato per la caratterizzazione del campo di moto nei mini-circuiti. Al termine di queste campagne sperimentali si avrà un cospicuo database di misure quali le mappe di temperatura e ancora più importante, le distribuzioni 2D della velocità nel fluido. Questo database sarà messo a disposizione della U.R. di Catania, con l'obiettivo di validare il modello messo a punto da questa U.R. A tal fine l'U.R. di Catania effettuerà il confronto tra le simulazioni monodimensionali del campo di moto del modello analitico e le misure sperimentali ottenute dalle U.R. di Genova e Modena.
Parallelamente a questa attività sperimentale, ci si prefigge di utilizzare un codice commerciale 3D (Fluent 6.2), per la simulazione numerica dei diversi circuiti considerati nella sperimentazione. I risultati delle simulazioni saranno messi a confronto con i dati sperimentali, al fine estendere l'applicabilità del modello numerico a situazioni diverse di quelle investigate sperimentalmente e quindi poter conoscere quantità difficilmente misurabili (distribuzioni di pressione, coefficienti di attrito etc.). Un altro aspetto che sarà studiato è quello della possibilità di ricavare il valore della velocità media nel fluido direttamente dalle misure di temperatura. Tale tecnica si basa sul fatto che le mappe di temperatura nel fluido sono di fatto istantanee, quindi è possibile dallo sfasamento tra le temperature in punti omologhi lungo i condotti ricavare la velocità del fluido. Per fare ciò si prenderanno in considerazione un certo numero di acquisizioni successive, e per quei dati si farà passare un polinomio che dovrebbe essere rappresentativo di un arco temporale inferiore alla costante caratteristica del sistema. Un codice autocostruito cercherà di trovare un polinomio analogo, ma questa volta elaborato in un'altra stazione di misura della temperatura. Il valore di velocità sarà semplicemente, a questo punto, calcolato dalla classica definizione di velocità. Analoga procedura sarà implementata per i risultati ottenuti dalla simulazione numerica.


Fase 2, durata 12 mesi

2.1 Convezione naturale in canali aperti

La fase due sarà caratterizzata dall'elaborazione ed assemblaggio dei risultati sperimentali ottenuti al fine di: (i) evidenziare l'effetto dei principali parametri che influenzano le prestazioni termiche del canale, quali ad esempio la geometria delle sporgenze, il loro passo, la conducibilità termica ovvero l'aspect ratio del canale e la differenza di temperatura tra parete corrugata ed aria ambiente; (ii) individuare correlazioni semi-empiriche in grado di predire il coefficiente di scambio termico per convezione naturale in canali corrugati; (iii) mettere a punto procedure di ottimizzazione, con la finalità di individuare, ad esempio, le geometrie di corrugazione (forma, dimensione e passo delle sporgenze) più favorevoli nei riguardi della trasmissione del calore. Nello svolgimento di questa attività, ci si avvarrà della collaborazione delle U.R. di Modena-Reggio Emilia e di Trieste, presso le quali verranno effettuate, con diversi codici di calcolo, simulazioni numeriche degli esperimenti condotti dall'U.R. di Genova. Su questa base si predisporrà un'azione coordinata tra le citate U.R. al fine di effettuare: (i) la validazione degli algoritmi, (ii) la loro estensione ad ulteriori geometrie di corrugazione e (iii) la ricerca della configurazione "ottimale" dal punto di vista termico.
In questa fase alcune delle prove sperimentali condotte dall'U.R. di Genova verranno ripetute dall'U.R. di L'Aquila, che utilizzerà un diverso strumento d'indagine denominato "interferometria olografica". Tale tecnica, anch'essa a carattere non intrusivo, si basa su misure ottiche differenti rispetto alla tecnica schlieren ed è per certi versi ad essa complementare. Consente infatti non già una misura "diretta" del coefficiente di scambio termico convettivo (peculiarità della tecnica schlieren) ma una identificazione delle linee isoterme all'interno del fluido convettivo. Da una successiva elaborazione delle linee isoterme, si riesce ad ottenere il coefficiente di scambio termico a parete. L'abbinamento delle due tecniche, applicate alle medesime sezioni di prova, consente pertanto di aggiungere informazioni sperimentali (utili poi nella fase di validazione dei codici numerici), nonché di confrontare direttamente i risultati forniti dalle due tecniche. Questa metodologia di lavoro, basata sull'utilizzo di due distinte tecniche ottiche applicate al medesimo processo e che vanta pochissimi precedenti in letteratura, è già stata sviluppata nel recente passato dalle U.R. di Genova e L'Aquila (si vedano, ad esempio, i lavori A-D) ed ha evidenziato, nel caso di canali verticali a pareti lisce, un ottimo accordo tra le misure schlieren e quelle interferometriche.

2.2 Circolazione naturale in circuiti (loops)

In questo secondo anno di attività, questa U.R. si concentrerà, solo, sullo studio dei mini-circuiti termoidraulici, ed in particolare si studieranno le condizioni limiti di funzionamento determinate dalla possibile transizione da convezione monofase a quella bifase. Come è stato osservato, nella base di partenza scientifica, i mini-circuiti sono utilizzati in alcune applicazioni ingegneristiche come ad esempio il raffreddamento di componentistica elettronica così come in alcune applicazioni biomedicali. Questi circuiti, anche se sono caratterizzati da un'alta efficienza termica (lavorano il convezione forzata bifase), hanno dei limiti di affidabilità non indifferenti, quest'ultimi determinati dalla presenza di sistemi attivi per assicurare il moto del fluido. I sistemi a circolazione naturale, invece, sono intrensicamente sicuri da questo punto di vista, perché il moto del fluido è garantito dalle spinte di galleggiamento nel fluido contrastate della perdite di carico lungo il circuito stesso. Nei sistemi a circolazione naturale di grandi dimensioni, tuttavia, possono insorgere condizioni di funzionamento instabili che vanificano molti dei vantaggi di questa tecnica ti rimozione e trasporto del calore. Nei mini-circuiti, per i quali non si hanno informazioni, si può prevedere di raggiungere condizioni di funzionamento stabili sia introducendo perdite di carico concentrate sia a causa del notevole incremento delle perdite di carico globale legata alla diminuzione delle dimensioni idrauliche del circuito. Entrambe le soluzioni potrebbero essere risolutive rispetto alle instabilità di funzionamento, ma potrebbero causare indesiderati aumenti di temperatura nel fluido, riducendo il flusso termico ceduto al fluido. In queste condizioni limite potrebbe verificarsi che localmente le temperature superficiali dei tubi raggiungono valori tali da determinare fenomeni di ebollizione locali. Per evitare questo problema si può percorre la strada di utilizzare un fluido alto bollente (ad esempio FC-43, temperatura di ebollizione circa 170°C), tuttavia questo fluido impiegato nei grandi circuiti a circolazione naturale ha quasi sempre mostrato un comportamento instabile, mentre l'acqua ha da questo punto di vista un comportamento nettamente migliore. Le diverse campagne sperimentali che saranno condotte in questa seconda fase, utilizzeranno entrambi due fluidi precedentemente citati, cercando di individuare per il fluido basso bollente (acqua) la condizione limite di funzionamento. Particolare attenzione sarà posta nella scelta dei sensori da utilizzare durante gli esperimenti, perché come già segnalato precedentemente, l'inserimento di un qualunque "oggetto" nel circuito va ad alterare la componente di attrito lungo il circuito. Un aspetto che sarà interessante investigare sarà la misura della frazione di vuoto durante la eventuale transizione da convezione monofase a bifase. Un aspetto che sarà interessante investigare sarà la misura della frazione di vuoto durante la eventuale transizione da convezione monofase a bifase. Dapprima si studierà tale transizione nel circuito di medie dimensioni e successivamente si tenterà di miniaturizzare il sensore per essere adattarlo ai mini circuiti. Durante questa fase della ricerca, questa U.R. collaborerà con la U.R. dell'Università di Catania, la quale progetterà e metterà a disposizione i sensori per il circuito di medie dimensioni. Successivamente, sulla risposta che si otterrà da queste campagne di prove, si cercherà di verificare se la eventuale miniaturizzazione dei sensori condurrà a misure della frazione di vuoto significative anche per i mini circuiti termoidraulici.
Parallelamente, continuerà la simulazione numerica sui mini-circuiti. Tale attività di supporto sarà utile per individuare le situazioni operative che durante gli esperimenti potrebbero far degenerare il controllo del sistema.