Responsabile: Prof.ssa Luisa Rossetto, PO, Dipartimento di Ingegneria Industriale

Composizione del GRE:

• Luisa Rossetto, PO

Aree di ricerca di afferenza:

• Sistemi di accumulo energetico
• Tecnologie per il risparmio energetico

Laboratori:

Laboratorio di Trasmissione del calore in microgeometrie

Scambio termico e fluidodinamica durante il deflusso di gas in Microgeometrie.

• 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.
• Scopo di tale campagna di misure è la creazione di una banca dati di misure sperimentali relative ai coefficienti di scambio termico e alle perdite di carico, che permette la creazione di correlazioni empiriche per la stima dei parametri termici ed idraulici di tali materiali, correlazione che potranno essere utilizzate nella fase di dimensionamento di dissipatori che implementano tale tipologia di materiali.
• Accanto alla analisi sperimentale, viene svolta anche una analisi numerica: alcuni provini sperimentalmente testati sono stati scasionati mediante la tecnica della microtomografia computerizzata, al fine di ottenere una serie di immagini bidimensionali della struttura con una risoluzione di 20 mm. Tali immagini 2D sono state elaborate al fine di ricostruire la reale struttura 3D, all'interno della quale sono stati risolti, mediante codici numerici, il campo di moto e di temperatura. I risultati numerici relativi ai coefficienti di scambio termico e alle perdite di carico sono quindi stati confrontati con i risultati sperimentali precedentemente ottenuti.

Scambo termico bifase in superfici microstrutturate

• Un nuovo impianto sperimentale è stato costruito per lo studio della vaporizzazione all'interno di superfici micrstrutturate. 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 sperimentale 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.
• Le seguenti superfici sono finora state studiate durante evaporazione di refrigeranti (R134a, R1234ze(E) e R1234yf):

1. schiuma metallica in rame avente 5 PPI ed una porosità di 0.93;
2. minitubo microfin avente diametro esterno 4 mm, diametro interno all'apice dell'aletta 3.4 mm, 40 alette alte 0.12 mm;
3. minitubo microfin avente diametro esterno 3 mm, diametro interno all'apice dell'aletta 2.4 mm, 40 alette alte 0.12 mm;
4. superificie liscia in rame avente una rugosità superficiale media di 1.25 mm;
5. superficie microstrutturata avente uno strato microporoso di spessore 100 mm composto da particelle di rame aventi una dimensione media di 20 m.

Scambio termico di materiali a cambiamento di fase (solido – liquido)

• 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 stata studiate anche la soluzione in cui la paraffina è immersa in una schiuma metallica. Quattro differenti provini di schiume metalliche in rame aventi un diverso numero di pori per pollice lineare ma simile densità relativa sono oggetto di studio.

Unità di refrigerazione compatta per raffreddamento di componenti elettronici

• 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.

Attività:

• Heat transfer and pressure drop in microgeometries
• Enhanced heat transfer surfaces and compact heat exchangers
• Dry and wet heat exchangers. Water and energy savings
• Nano-structured heat transfer surfaces
• Phase change materials and metal foams

Elenco delle ultime cinque pubblicazioni:

1. MANCIN SIMONE, DIANI ANDREA, DORETTI LUCA, HOOMAN KAMEL, ROSSETTO LUISA (2015). Experimental analysis of phase change phenomenon of paraffin waxes embedded in copper foams (2015), INTERNATIONAL JOURNAL OF THERMAL SCIENCES, Volume 90, April 2015, Pages 79-89.
2. ANDREA DIANI, SIMONE MANCIN, LUISA ROSSETTO (2014). R1234ze(E) flow boiling inside a 3.4 mm ID microfin tube, INTERNATIONAL JOURNAL OF REFRIGERATION, Volume 47, November 2014, Pages 105-119.
3. SIMONE MANCIN, ANDREA DIANI, LUCA DORETTI, LUISA ROSSETTO (2014). R134a and R1234ze(E) liquid and flow boiling heat transfer in a high porosity copper foam. INTERNATIONAL JOURNAL OF HEAT AND MASS TRANSFER, vol. 74, p. 77-87, ISSN: 0017-9310, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.02.070
4. SIMONE MANCIN, CLAUDIO ZILIO, ANDREA DIANI, LUISA ROSSETTO (2013). Air forced convection through metal foams: Experimental results and modeling. INTERNATIONAL JOURNAL OF HEAT AND MASS TRANSFER, vol. 62, p. 112-123, ISSN: 0017-9310, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.02.050.
5. DAVIDE DEL COL, STEFANO BORTOLIN, LUISA ROSSETTO (2013). Convective boiling inside a single circular microchannel. INTERNATIONAL JOURNAL OF HEAT AND MASS TRANSFER, vol. 67, p. 1231-1245, ISSN: 0017-9310, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.08.050

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