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DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA INDUSTRIALE
GRUPPI DI RICERCA
 
Universita di Padova

 

LABORATORIO di TRASMISSIONE del CALORE in MICROGEOMETRIE
Responsabile Scientifico: Prof.ssa Luisa Rossetto

 

Assegnisti e Dottorandi

Ing. Simone Mancin, assistant professor

Ing. Andrea Diani, Assegnista di Ricerca

@mail: andrea.diani@unipd.it

Mariana Tiemi Tamura, Studente

 

 

Argomenti di Ricerca e Impianti Sperimentali

 

1. Scambio Termico e Fluido-dinamica Durante il Deflusso di Gas in Micro-Geometrie

- Apparato sperimentale

- Convezione Forzata di Aria in Schiume Metalliche: Analisi Sperimentale

- Convezione Forzata di Aria in Schiume Metalliche: Analisi Analitica e Numerica

2. Scambio Termico Bifase in Schiume Metalliche

3. Unità di Refrigerazione Compatta per Raffreddamento di Componenti Elettronici

 

Scambio Termico e Fluido-dinamica Durante il Deflusso di Gas in Micro-Geometrie

Negli ultimi tempi, sono sempre più richiesti dissipatori di calore capaci di asportare elevati flussi termici permettendo così superare i limiti del raffreddamento ad aria. L'aria non presenta delle buone caratteristiche di scambio termico e, per questo, solitamente fluisce attraverso superfici estese, tra le quali: schiume metalliche, materiali a struttura periodica, superfici estese compatte e micro-geometrie. Lo scopo di questo programma di ricerca è quello di promuovere un'analisi sistematica di nuove superfici estese per applicazioni legate al raffreddamento di componenti elettronici e del condizionamento dell'aria. All'interno di questo programma, un nuovo impianto sperimentale è stato dimensionato, sviluppato e costruito per consentire la misura dei coefficienti di scambio termico e delle variazioni di pressione durante la convezione forzata di aria attraverso superfici estese e micro-geometrie.

Apparato Sperimentale

L'impianto sperimentale è costituito da una galleria del vento a sezione rettangolare aperta in atmosfera in cui è possibile analizzare provini di differente geometria: superfici alettate, offset strip pins, materiali a struttura cellulare sia periodica che stocastica e microgeometrie. L'apparato è costrutito in acciaio inossidabile AISI 316L e può essere suddiviso in due parti principali: la prima include il compressore dove l'aria ambiente viene compressa fino a 7 bar e successivamente deumidificata e flitrata per eliminare l'acqua e il particolato. La seconda parte, riportata nella figura qui a destra, è costituita da una prima valvola di controllo della pressione, da un misuratore di portata volumetrica ad orifizio calibrato (foto in basso a destra), da un serbatoio di calma da 70 L, da un condotto a sezione rettangolare lungo 1.1 m e dalla sezione sperimentale dove vengono inseriti i provini che devono essere testati. L'aria attraversa la sezione sperimentale dove scambia calore con la superficie estesa che viene riscaldata elettricamente. Vengono misurate: le temperature dell'aria all'ingresso e all'uscita della sezione sperimentale, la pressione assoluta all'ingresso e la variazione della pressione durante il deflusso attraverso il provino. Infine, l'aria attraversa una seconda valvola e viene scaricata in atmosfera.

 

Convezione Forzata di Aria in Schiume Metalliche - Analisi Sperimentale
Investigatori principali: Simone Mancin, Andrea Diani, Luisa Rossetto

Le schiume metalliche appartengono ai materiali a struttura cellulare e possono presentare celle aperte o chiuse. Ovviamente, nell'ambito dello scambio termico con deflusso si utilizzano quelle a celle aperte. Le schiume metalliche (o nella dicitura anglosassone "Metal Foams") sono state recentemente proposte come nuove superfici estese per promuovere lo scambio termico. Questi materiali presentano un'elavata area per unità di volume, promuovono la turbolenza e sono caratterizzate da ottime proprietà meccaniche associate al bassissimo peso. Queste caratteristiche fanno si che possano essere impiegate nella progettazione di scambiatori di calore multifunzionali, efficienti, leggeri e compatti.

Le schiume sono caratterizzate dal numero di pori per pollice lineare (PPI) e dalla porosità. Durante le campagne sperimentali sono state testate differenti schiume di Alluminio e di Rame, con 5, 10, 20 e 40 PPI ed elevata porosità superiore al 90%. Qui sotto si possono vedere degli esempi: a sinistra una schiuma di alluminio mentre a destra due diversi provini di rame.

Coefficiente di scambio termico in funzione della portata d'aria. Dati relativi a schiume in rame di altezza 20 mm.

Variazioni di pressione in funzione della portata d'aria. Dati relativi a schiume in rame di altezza 20 mm.

 

Convezione Forzata di Aria in Schiume Metalliche - Analisi Analitica e Numerica
Investigatori principali: Simone Mancin, Andrea Diani, Luisa Rossetto

I dati sperimentali relativi alle schiume metalliche hanno permesso di sviluppare dei modelli per stimare i coefficienti di scambio termico e le variazioni di pressione durante il deflusso d'aria in convezione forzata. Tali modelli possono rivelarsi utili in fase di dimensionamento di dissipatori che utilizzino le schiume metalliche come superficie estesa. Recentemente è iniziata anche l'analisi numerica attraverso la simulazione diretta delle schiume metalliche mediante software commerciale a partire dalla struttura cellulare scansionata utlizzando la Tomografia Assiale Computerizzata.

Dalla schiuma reale alla simulazione numerica diretta del deflusso.

 

Scambio Termico Bifase in Schiume Metalliche
Investigatori principali: Simone Mancin, Andrea Diani, Luca Doretti, Luisa Rossetto

Un nuovo impianto sperimentale è stato costruito per lo studio della vaporizzazione in schiume metalliche. L'impianto è costituito da 3 circuiti: il circuito del refrigerante, dell'acqua di raffreddamento e dell'acqua calda. L'impianto è stato costruito per le misure di scambio termico e di caduta di pressione e per la visualizzazione dei deflussi durante la vaporizzazione di refrigeranti in superfici micro-strutturate.

Nel circuito principale il refrigerante, pompato attraverso il circuito per mezzo di una pompa ad ingranaggi magnetici, viene vaporizzato e surriscaldato in uno scambiatore a piastre alimentato da acqua calda. Il vapore surriscaldato è quindi parzialmente condensato nel pre-condensatore alimentato da acqua fredda per raggiungere il titolo voluto all'ingresso della sezione sperimentale. Il refrigerante entra nella sezione e vaporizza per mezzo di una resistenza a filo Ni-Cr posta in un riscaldatore elettrico su cui vengono alloggiati i provini da analizzare. Il fluido esce dalla sezione sperimentale e raggiunge un post-condensatore a piastre dove viene completamente condensato. Il liquido sottoraffreddato infine passa attraverso un filtro per poi ritornare all'evaporatore-surriscaldatore. Un regolatore di pressione ad aria compressa permette di controllare le condizionidi saturazione nel circuito principale. Nelle seguenti foto vengono mostrate la sezione sperimentale e un provino di schiuma metallica in rame instrumentato con le termocoppie.

 

Scambio Termico in Materiali a Cambiamento di Fase (Solido - Liquido)
Investigatori principali: Simone Mancin, Andrea Diani, Luisa Rossetto

I materiali a cambiamento di fase PCMs (Phase Change Materials) sono materiali usati come accumulo termico che sfruttano il calore latente di fusione. Questi materiali sono tipicamente allo stato solido a temperatura ambiente, ma quando vengono portati al di sopra di una ben nota temperatura di transizione liquefano.

Un nuovo impianto sperimentale è stato costruito per lo studio di questi materiali come dissipatori passivi nel campo del raffreddamento di componenti elettronici. I materiali a cambiamento di fase attualmente oggetto studio sono alcuni tipi di paraffine, la cui differenza risiede nella temperatura di fusione. La paraffina è posta all'interno di una sezione sperimentale in bachelite, alloggiata sopra un riscaldatore in rame, il tutto all'interno di un blocco in teflon, per limitare le dispersioni termiche verso l'ambiente.

Per aumentare le prestazioni termiche di questi materiali è in fase di analisi anche la soluzione in cui la paraffina è immersa in una schiuma metallica. 4 differenti provini di schiume metalliche in rame aventi un diverso numero di pori per pollice lineare ma simile densità relativa sono oggetto di studio.

Nella figura a sinistra è mostrato il fronte di fusione di una paraffina in una schiuma metallica in rame. Essendo riscaldata dal basso, il fronte di fusione procede nel tempo verso l'alto.

 

Scambio Termico Bifase in Minitubi Microalettati
Investigatori principali: Simone Mancin, Andrea Diani, Luisa Rossetto

La minimizzazione della carica di refrigeranti è considerato uno degli obiettivi più importanti per far fronte alle nuove sfide ambientali. Ultimamente, scambiatori con minicanali sono stati ampiamente utilizzati nel settore automobilistico e motociclistico come condensatori, come anche in impianti di condizionamento. Tubi microalettati sono anche usati in scambiatori di calore aria-acqua in pompe di calore e in sistemi di rfrigerazione durante la condensazione ed evaporazione. La possibile miniaturizzaziione dei tubi microalettati può quindi portare a scambiatori di calore pių compatti ed efficienti cosė da ridurre la carica di refrigerante.

Nel medesimo impianto sperimentale dello scambio termico bifase in schiume metalliche vengono testati minitubi microaletatti internamente aventi diametro interno di 3 e 4 mm. Tale campagna di misure sperimentali prevede la misura dei coefficienti di scambio termico e delle perdite di carico durante il deflusso di fluidi refrigeranti come R134a, R1234ze ed R1234yf in evaporazione.

 

Unità Refrigerata Compatta per Raffreddamento di Componenti Elettronici
Investigatori principali: Simone Mancin, Luisa Rossetto

Il continuo aumento del numero di sistemi elettrici ed elettronici nel campo aeronautico, ed al tempo stesso la continua miniaturizzazione di tali componenti, comporta un aumento sia della quantità di calore che della densità di potenza da asportare. In questa sfida si colloca il progetto europeo PRIMAE (www.primae.org), di cui l'Università di Padova è uno dei partners. A tale scopo è stato progettato e costruito un ciclo a vapore in miniatura (Mini Vapor Cycle System).

Un sistema di refrigerazione in miniatura è composto da quattro componenti principali: un condensatore, una valvola di laminazione, un evaporatore (cold plate) ed un compressore. Nell'impianto realizzato il condensatore è suddiviso in due scambiatori di calore raffreddati ad acqua, che condensano e sottoraffreddano in fluido. Il condensato raggiunge quindi un quindi un misuratore di portata massico ad effetto Coriolis per poi passare in una valvola micro-metrica usata come organo di laminazione. L'evaporatore (schema e foto nelle due immagini sottostanti) è costituito da una piastra in rame 10 x 20 x 400 mm; su una faccia di tale rame sono stati ricavati tre condotti nei quali è stato inserito e poi saldato un tubo a tre passaggi nel quale il refrigerante evapora, mentre nella faccia inferiore della piastra sono state ricavate due scanalature che permettono l'alloggiamento di una resistenza scaldante a filo che simula il flusso termico da asportare della strumentazione elettronica. Il micro-compressore è un prototipo fornito dalla Embraco: è di tipo alternativo e viene comandato da un inverter che, per regolarne la potenza modifica la corsa del pistone, mantenendo invariata la velocità. Inoltre è un compressore del tipo oil-free, cioè lavora in assenza di lubrificazione.

 

 

Oltre all'attività sperimentale di studio delle prestazioni del MVCS, è stato svolto uno studio numerico, mediante il software Comsol Multiphysics, dello scambio termico per conduzione e convezione all'interno dell'evaporatore. Per fissare le condizioni al contorno, necessarie per la risoluzione del problema, si è definita la temperatura del fluido, e un coefficiente si scambio termico con il quale il fluido scambia calore con il rame circostante, suddividendo il tubo in vari tratti: pre-dryout, dryout e post-dryout. Nelle seguenti figure vengono mostrati: il risultato di una simulazione numerica e un confronto numerico-sperimentale tra le temperature lungo l'asse dell'evaporatore.