In un contesto di microcanali, la bagnabilità delle superfici gioca un ruolo cruciale nella determinazione delle strutture del flusso bifase. Quando il flusso anulare stabile si stabilisce, diventa evidente che la parete del tubo è significativamente più facilmente bagnata. Ciò si manifesta anche in presenza di un flusso anulare schiumoso o evanescente, dove piccole bolle si trovano intrappolate nel sottile strato di liquido che scorre lungo la parete del tubo. Questo fenomeno è il risultato dell'espansione del film d'acqua e dell'aumento della sua bagnabilità, che consente al liquido di inglobare piccole bolle senza romperle.

In presenza di contaminazioni sulla superficie, tuttavia, la situazione cambia. Si osserva la formazione di uno spazio asciutto tra il blob di gas e la parete del tubo, soprattutto a bassissimi tassi di flusso. Questo comporta che la bagnabilità dei fluidi e del tubo stesso abbia un impatto significativo sulle transizioni delle strutture del flusso bifase, un aspetto fondamentale nei canali ultrasottili. Di conseguenza, la contaminazione della superficie emerge come un fattore critico che influenza pesantemente le transizioni dei modelli di flusso bifase.

La gestione del trasferimento termico all’interno di questi microcanali è altrettanto fondamentale. Un approccio analitico al calcolo del trasferimento di calore tra il microcanale e il fluido di lavoro si basa sulla seguente equazione:

Q=m⋅Cp⋅(Tout−Tin)Q = m \cdot C_p \cdot (T_{out} - T_{in})

dove QQ rappresenta la quantità di calore trasferita, mm è il tasso di flusso di massa del fluido, TinT_{in} e ToutT_{out} sono rispettivamente la temperatura all'ingresso e all'uscita del fluido, e CpC_p è il calore specifico del fluido.

Un altro aspetto cruciale nel trasferimento di calore è l'effetto Joule, che viene applicato tramite un riscaldatore elettrico. La relazione che descrive questo effetto è la seguente:

Q=V⋅IQ = V \cdot I

dove VV è la tensione applicata al riscaldatore e II è la corrente che attraversa il circuito riscaldante. Il trasferimento di calore convettivo tra il fluido e il microcanale è dato dalla formula:

Q=m⋅Cp⋅(Tout−Tin)convQ = m \cdot C_p \cdot (T_{out} - T_{in})_{conv}

Inoltre, l'efficienza delle alette che possono essere usate nei microcanali è calcolata attraverso l'equazione:

tanh⁡(mH)\tanh(mH)

La conduttività termica del rame, insieme al coefficiente di trasferimento termico medio, è determinante per il calcolo dell'efficienza termica. La conduttività termica, kk, del rame e l’efficienza havh_{av} sono essenziali per determinare il comportamento del trasferimento termico in questi sistemi miniaturizzati. La relazione per il calcolo di havh_{av} è data da:

hav=1l∫0lh(z)dzh_{av} = \frac{1}{l} \int_0^l h(z) dz

Un altro aspetto importante è la determinazione della temperatura media del fluido, che si ottiene con l'equazione:

Tb,z=Tin+(Tout−Tin)l⋅zT_{b,z} = T_{in} + \frac{(T_{out} - T_{in})}{l} \cdot z

L'analisi termico-idraulica viene poi completata utilizzando il numero di Nusselt per la parete e il fattore di attrito, determinato attraverso la formula:

f=Pρu2f = \frac{P}{\rho u^2}

dove PP è la pressione, ρ\rho è la densità del fluido, e uu è la velocità del fluido.

Nel contesto dei microcanali, il flusso del fluido è trattato come stazionario, incomprimibile e irrotazionale. È governato dalle equazioni di continuità, momento e energia, che sono alla base della modellizzazione di questi fenomeni. La continuità del flusso è espressa dall’equazione:

∇⋅V=0\nabla \cdot \mathbf{V} = 0

mentre l’equazione del momento è descritta da:

∇⋅(VV)=−∇P+F\nabla \cdot (\mathbf{V} \mathbf{V}) = -\nabla P + F

dove FF è la forza magnetica generata dal campo magnetico. L’energia termica, infine, è descritta da:

∇⋅(VCpΔTemp)=∇⋅(kΔTemp)\nabla \cdot (V C_p \Delta Temp) = \nabla \cdot (k \Delta Temp)

Per quanto riguarda le proprietà termofisiche dei fluidi di lavoro, sono determinanti per la corretta analisi dei processi. Le proprietà come la densità, la capacità termica, la conducibilità termica e la viscosità variano con la temperatura e sono necessarie per il calcolo delle prestazioni del sistema di scambio termico.

L’accuratezza delle indagini sperimentali dipende fortemente dalla qualità dell’attrezzatura utilizzata. Un sistema di alimentazione del fluido ben progettato, dotato di filtri ad alta efficienza, misuratori di portata e precooler, è fondamentale per il controllo preciso delle condizioni operative. Il banco di prova del microcanale deve includere il dispositivo di scambio termico, con sistemi di riscaldamento e raffreddamento che permettano un controllo termico continuo.

Inoltre, l'analisi dei dati sperimentali è essenziale per garantire la precisione delle misurazioni. L'elaborazione del segnale, la calibrazione dei sensori e l'uso di tecniche avanzate come la velocimetria ad imaging di particelle (PIV) o la velocimetria Doppler laser (LDV) consentono di visualizzare e quantificare i modelli di flusso con alta precisione. L’utilizzo di telecamere a infrarossi per mappare le distribuzioni di temperatura sulla superficie contribuisce ulteriormente alla validità dei dati ottenuti.

Come modellare il comportamento dei fluidi: equazioni di conservazione e turbolenza

Le forze superficiali che agiscono sulle superfici di un fluido comprendono la pressione e le forze viscose. Le forze viscose sono a loro volta suddivise in tensioni di taglio e tensioni normali, che derivano dalle perdite di attrito. L’equazione di conservazione del momento può essere scritta come segue:

∂V∂t+∇⋅(VV)=−∇p+F+ν∇2V+g\frac{\partial \mathbf{V}}{\partial t} + \nabla \cdot (\mathbf{V} \mathbf{V}) = - \nabla p + \mathbf{F} + \nu \nabla^2 \mathbf{V} + \mathbf{g}

Nel contesto di questa equazione, il primo termine sul lato sinistro rappresenta il tasso di variazione del momento per unità di volume, ovvero il termine di accumulo del momento, mentre il secondo termine rappresenta il tasso di variazione del momento dovuto alla convezione per unità di volume, ovvero i gradienti di velocità responsabili del momento del fluido. Il primo termine sul lato destro dell’equazione rappresenta il termine di stress totale che nasce dalle interazioni molecolari a piccola scala. Questo termine è suddiviso ulteriormente come:

∇p+ν∇2V\nabla p + \nu \nabla^2 \mathbf{V}

Nel caso dei fluidi Newtoniani, la tensione di taglio è direttamente proporzionale ai gradienti di velocità, ovvero alla velocità di deformazione del fluido secondo la legge di viscosità di Newton. Il modello semplificato che esprime la relazione tra il tensore di stress e i componenti della velocità è il seguente:

τij=μ(∂Vi∂xj+∂Vj∂xi)\tau_{ij} = \mu \left( \frac{\partial V_i}{\partial x_j} + \frac{\partial V_j}{\partial x_i} \right)

Dove μ\mu è il coefficiente di viscosità e il termine TT è il trasposto del tensore di velocità. Nei fluidi non-Newtoniani, ad esempio i fluidi Bingham o i fluidi viscoelastici, il termine di viscosità molecolare è sostituito da un termine di viscosità effettiva, che può essere espresso attraverso modelli come il modello di legge di potenza, il modello di Herschel-Bulkley o il modello di viscosità dipendente dalla temperatura.

L’effetto della forza gravitazionale sul cambiamento di momento per unità di volume è descritto nel secondo termine a destra dell’equazione di conservazione del momento, ed è essenziale nei flussi guidati dalla spinta di galleggiamento. Il terzo termine sul lato destro rappresenta eventuali forze esterne, che sono particolarmente significative nei modelli di flusso multifase, come verrà spiegato in seguito.

La conservazione dell’energia, che è la somma dell’energia interna o termica e dell’energia cinetica o meccanica, si basa sulla prima legge della termodinamica. Secondo questa legge, il tasso di variazione dell’energia interna all'interno di un elemento di fluido è uguale alla somma del flusso netto di calore aggiunto al fluido e al tasso di lavoro fatto sul fluido da parte delle forze superficiali e corporee. Il flusso netto di calore può derivare dalla conduzione e dal riscaldamento volumetrico del fluido dovuto ad assorbimento, emissione o radiazione. L’equazione di conservazione dell’energia è la seguente:

∂e∂t+∇⋅(Ve)=−p∇⋅V+∇⋅(λ∇T)+Q\frac{\partial e}{\partial t} + \nabla \cdot (\mathbf{V} e) = - p \nabla \cdot \mathbf{V} + \nabla \cdot (\lambda \nabla T) + Q

Dove ee è l’energia interna del fluido, TT è la temperatura, λ\lambda è la conducibilità termica, QQ è il termine di sorgente di calore volumetrico, e i vari termini rappresentano rispettivamente il tasso di variazione dell’energia per accumulo, il flusso per convezione, la dissipazione vischiosa e il flusso termico diffusivo.

Nel caso di flussi incomprimibili, l’energia interna può essere definita in termini di entalpia, che è data da:

h=∫0TCpdTh = \int_0^T C_p dT

In questa espressione, CpC_p è il calore specifico a pressione costante e TT è la temperatura del fluido. L’equazione di conservazione dell’energia può quindi essere riscritta in termini di entalpia come segue:

∂h∂t+∇⋅(Vh)=−p∇⋅V+∇⋅(λ∇T)+Q\frac{\partial h}{\partial t} + \nabla \cdot (\mathbf{V} h) = - p \nabla \cdot \mathbf{V} + \nabla \cdot (\lambda \nabla T) + Q

La conservazione delle specie è importante nei sistemi di scambio di calore dove le proprietà del fluido variano con la temperatura e la composizione. L’equazione di conservazione delle specie è la seguente:

∂Ym∂t+∇⋅(VYm)=∇⋅(Dm∇Ym)+S\frac{\partial Y_m}{\partial t} + \nabla \cdot (\mathbf{V} Y_m) = \nabla \cdot (D_m \nabla Y_m) + S

Dove YmY_m è la frazione massica della specie mm, e i vari termini rappresentano il tasso di variazione della frazione massica per accumulo, il flusso convettivo, il flusso diffusivo e la fonte di specie. Il flusso diffusivo è descritto dalla legge di Fick modificata per includere anche i gradienti termici.

Infine, il modello della turbolenza è cruciale nella maggior parte dei sistemi industriali di scambio di calore, in cui i flussi sono caratterizzati da turbolenza a causa delle elevate capacità di miscelazione e trasferimento di calore. La turbolenza è una condizione irregolare in cui velocità e altre proprietà del fluido mostrano fluttuazioni casuali nel tempo e nelle coordinate spaziali. Il concetto di cascata dell’energia, introdotto da Richardson, descrive come l'energia cinetica venga dissipata in una serie di vortici di dimensioni sempre più piccole, a partire dai vortici integrali, che trasportano circa l'80% dell’energia cinetica totale.

Le equazioni che governano i flussi turbolenti possono essere risolte tramite simulazioni numeriche dirette (DNS), ma ciò richiede una risoluzione completa di tutte le scale turbolente, incluse le scale di Kolmogorov, che sono la scala di vortice più piccola in cui l'effetto viscoso è dominante. La simulazione numerica diretta fornisce dettagli molto precisi sugli effetti turbolenti, ma è anche estremamente dispendiosa in termini di risorse computazionali. La modellizzazione della turbolenza, come il modello k-ε o il modello LES, cerca di semplificare il calcolo senza rinunciare alla precisione.

In sintesi, il comportamento dei fluidi e le equazioni di conservazione sono fondamentali per comprendere i fenomeni fisici che si verificano nei sistemi di scambio di calore. La modellizzazione precisa delle forze superficiali, dell'energia e delle specie, così come la gestione della turbolenza, sono cruciali per il design e l'ottimizzazione di questi sistemi. Ogni termine nelle equazioni rappresenta un aspetto distinto del comportamento fisico del fluido e contribuisce alla complessità del modello matematico che deve essere risolto per ottenere risultati accurati.

Come i Dispositivi per il Flusso Influiscono sulla Trasmissione del Calore nei Scambiatori di Calore

Il numero di Grashof gioca un ruolo fondamentale nel comportamento dei flussi di convezione assistita dalla spinta. Nel caso dei flussi che favoriscono la spinta, il numero di Grashof cresce monotonicamente fino a un punto critico, mentre per i flussi contrari alla spinta, questo numero cresce continuamente. I canali corrugati, rispetto ai tubi verticali, richiedono numeri di Grashof più alti per migliorare la trasmissione del calore. In particolare, i canali ondulati con superfici ondulate presentano vantaggi significativi nell'efficienza del trasferimento di calore, anche se comportano una maggiore caduta di pressione, come evidenziato dalle ricerche di Sui et al. I vortici di Dean e l'advezione caotica che si sviluppano in questi canali ondulati migliorano il trasferimento termico, rendendoli superiori ai canali rettilinei in termini di efficienza termica.

Le superfici ondulate sono particolarmente apprezzate negli scambiatori di calore, poiché interrompono lo strato limite termico, migliorando notevolmente la trasmissione del calore. Lo studio completo di Paisarn ha dimostrato che l'uso di superfici ondulate non solo migliora la trasmissione del calore, ma anche riduce la caduta di pressione rispetto ai canali lisci. La tabella 3.2 fornisce un riassunto delle principali ricerche in questo campo.

I dispositivi a vortice, come gli inserti elicoidali e le nastro-tubi attorcigliati, inducono ricircolazione secondaria nei flussi assiali, migliorando così il trasferimento di calore negli scambiatori di calore sia per flussi monofase che bifase. I nastri attorcigliati, costituiti da strisce metalliche arrotolate in varie forme, aumentano la turbolenza e il vortice, migliorando le performance termiche nonostante le perdite di carico. Esmaeilzadeh et al. hanno scoperto che l'uso di nastri attorcigliati nel flusso di nanofluidi a base di g-Al₂O₃/water migliora il trasferimento termico, riducendo però il coefficiente di attrito. Questo risultato, sebbene comporti un aumento della turbolenza e della resistenza, ottimizza i modelli di flusso e rompe lo strato limite termico, migliorando l'efficienza termica complessiva. Le nuove correlazioni per il numero di Nusselt proposte dagli autori sono state fondamentali per comprendere meglio il comportamento dei flussi in condizioni di bassa turbolenza (Reynolds tra 150 e 1600).

Inoltre, l'uso di alette ibridi o strutture rinforzate con nanofluidi magnetici come il Fe₃O₄ aumenta il coefficiente di trasferimento di calore rispetto ai semplici fluidi magnetici, come dimostrato da Bhattacharyya et al. Le simulazioni condotte con ANSYS Fluent 19.2 hanno rivelato come l'integrazione di alette ibridi migliorasse il trasferimento di calore in modo più efficiente rispetto all'uso di nanofluidi da soli. I risultati hanno confermato le correlazioni teoriche suggerendo che l'introduzione di strutture a coste o alette ottimizzate nei tubi degli scambiatori di calore può portare a significativi miglioramenti delle performance termiche.

Altri studi, come quello di Thianpong et al., hanno esplorato l'uso di nastri elicoidali in tubi con superficie increspata per migliorare il trasferimento di calore e il fattore di attrito. Le indagini hanno dimostrato che i nastri con rapporti di passo e torsione più piccoli migliorano notevolmente sia il trasferimento di calore che la resistenza al flusso, con un’analisi empirica dei numeri di Nusselt e dei fattori di attrito.

La ricerca di Sarada et al. ha mostrato che i nastri di varie larghezze, compresi quelli con dimensioni comprese tra 10 e 22 mm, offrono una migliore combinazione di miglioramento del trasferimento di calore e riduzione della caduta di pressione. L'uso di nastri a piena larghezza (36-48% di aumento del trasferimento di calore) rispetto ai nastri di larghezza ridotta (33-39%) ha portato a nuove correlazioni per il numero di Nusselt e per i fattori di attrito in base a un rapporto di torsione modificato.

Le alette elicoidali, nonostante una possibile perdita di carico maggiore, sono state utilizzate con successo per migliorare il trasferimento di calore in scambiatori di calore, riducendo al contempo le zone morte e aumentando l'efficienza del sistema. Jedsadaratanachai et al. hanno studiato l'uso di alette a forma di V in tubi circolari per flussi periodici di tipo lamellare. Le simulazioni numeriche hanno rivelato che l'uso di alette a forma di V aumenta vortici longitudinali, migliorando il trasferimento di calore, il numero di Nusselt e il fattore di attrito, soprattutto con rapporti di blocco maggiori. I risultati hanno suggerito che la configurazione ottimale delle altezze delle alette (0,20 e 0,25 volte il diametro del tubo) consente di massimizzare l'efficienza termica.

Infine, Zhou et al. hanno condotto uno studio sui flussi di calore in scambiatori di calore con alette a fori trefoil. L'analisi ha rivelato che il flusso periodico e il trasferimento di calore venivano migliorati grazie alla riduzione dello spessore dello strato limite, grazie alla generazione di flussi secondari vicino alle alette. I risultati hanno evidenziato la necessità di considerare alette e configurazioni di flusso ottimizzate per massimizzare il trasferimento termico e ridurre le perdite di carico.

Questi studi dimostrano che esistono numerose tecnologie e soluzioni per ottimizzare il trasferimento di calore negli scambiatori di calore, ma anche che ogni miglioramento del trasferimento implica inevitabilmente un aumento della resistenza al flusso, creando una sorta di bilanciamento tra efficienza termica e perdite di carico.

Come la Manifattura Additiva Sta Trasformando la Progettazione degli Scambiatori di Calore

Gli scambiatori di calore sono componenti fondamentali in una vasta gamma di applicazioni industriali. Il loro compito principale è quello di trasferire calore da un fluido a un altro senza mescolarli, ottimizzando così l'efficienza energetica e la gestione termica dei sistemi. Essi operano secondo i principi della termodinamica e della meccanica dei fluidi, permettendo l'assorbimento o la dissipazione di calore in base alle necessità operative del sistema.

Esistono diverse configurazioni di scambiatori di calore, come quelli a shell-and-tube, a piastre e a tubi alettati, ognuna progettata per rispondere a esigenze specifiche. Gli scambiatori a shell-and-tube sono ampiamente utilizzati in ambienti industriali, grazie alla loro robustezza e adattabilità agli ambienti ad alta pressione. Gli scambiatori a piastre, noti per la loro compattezza e alta efficienza termica, sono ideali per applicazioni dove lo spazio è limitato. Quelli a tubi alettati, invece, sono ottimizzati per i sistemi di raffreddamento ad aria, grazie alla maggiore superficie di scambio che favorisce una maggiore efficienza nella dissipazione del calore.

Nell'industria automobilistica, ad esempio, gli scambiatori di calore sono cruciali per la gestione della temperatura dei motori, assicurando prestazioni ottimali e la durata del veicolo. Radiatori e intercooler sono gli esempi più comuni di scambiatori di calore progettati per dissipare il calore proveniente dal motore e dai turbocompressori. Anche nel settore della climatizzazione e del riscaldamento, gli scambiatori di calore svolgono un ruolo fondamentale, permettendo un'efficace gestione delle temperature interne ed esterne per garantire comfort ed efficienza energetica.

Tuttavia, i metodi di produzione convenzionali per questi dispositivi, come la lavorazione meccanica, la saldatura e la fusione, presentano limitazioni significative. Questi approcci spesso richiedono geometrie semplici per facilitare la fabbricazione, il che porta a prestazioni termiche subottimali e alla difficoltà di personalizzare il design in base alle esigenze specifiche. Inoltre, le limitazioni dei materiali utilizzati nelle tecniche tradizionali riducono l'efficienza del trasferimento di calore e la durata dei dispositivi. Le inefficienze nella produzione, come gli alti tassi di scarto e i tempi lunghi di fabbricazione, complicano ulteriormente la sostenibilità economica e ambientale della produzione di scambiatori di calore.

Queste problematiche hanno messo in evidenza la necessità di approcci innovativi per superare tali limiti e aprire nuove possibilità nella progettazione e nelle prestazioni degli scambiatori di calore. La manifattura additiva (AM), meglio conosciuta come stampa 3D, rappresenta una risposta significativa a queste sfide. Questa tecnologia consente la fabbricazione di componenti strato per strato a partire da modelli digitali, sfruttando una serie di tecniche avanzate, tra cui la fusione laser selettiva (SLM), la fusione con fascio di elettroni (EBM), il binder jetting, la modellazione a deposizione fusa (FDM) e la deposizione diretta di energia (DED). Ciascuna di queste tecnologie ha vantaggi distinti in termini di compatibilità con i materiali, precisione geometrica e velocità di produzione.

La manifattura additiva permette la creazione di design complessi e ottimizzati che sarebbero impossibili o impraticabili con i metodi tradizionali. Grazie all'AM, i produttori possono migliorare notevolmente le prestazioni degli scambiatori di calore, attraverso superfici di scambio termico più ampie, geometrie interne complesse e funzioni multifunzionali integrate. Inoltre, la riduzione degli sprechi di materiale e la possibilità di prototipazione rapida offrono un potenziale trasformativo per l'industria degli scambiatori di calore. L’AM permette di personalizzare facilmente il design per applicazioni specifiche, riducendo i costi e migliorando l'efficienza complessiva dei sistemi.

Una delle caratteristiche più interessanti della manifattura additiva è la possibilità di progettare scambiatori di calore con geometrie interne che ottimizzano il flusso dei fluidi e, di conseguenza, migliorano il trasferimento di calore. Queste geometrie possono includere canali intricati, configurazioni a spirale o strutture reticolari che aumentano significativamente l'area superficiale senza compromettere l'integrità strutturale del componente. In questo modo, è possibile migliorare le prestazioni termiche senza dover aumentare il volume complessivo dell'apparato.

Le sfide principali nell'adozione della manifattura additiva per gli scambiatori di calore riguardano la scelta dei materiali e l'ottimizzazione delle prestazioni. I materiali utilizzati nella stampa 3D per applicazioni termiche devono avere proprietà termiche eccellenti, resistenza a temperature elevate e buona durabilità. La selezione del materiale giusto per la fabbricazione additiva di scambiatori di calore è essenziale per garantire un equilibrio tra costi, prestazioni e durata nel tempo. Inoltre, le tecniche di modellazione e simulazione numerica sono fondamentali per ottimizzare il design e prevedere il comportamento termico dei dispositivi fabbricati.

Il futuro della manifattura additiva per gli scambiatori di calore appare promettente, con continui progressi nelle tecnologie di stampa 3D e nei materiali avanzati. Sebbene le sfide persistano, l'adozione di queste tecnologie rappresenta una grande opportunità per migliorare l'efficienza energetica dei sistemi industriali, ridurre i costi di produzione e sviluppare soluzioni innovative per applicazioni sempre più specializzate.

È cruciale comprendere che, sebbene la manifattura additiva offra un ampio margine di miglioramento rispetto ai metodi tradizionali, l'integrazione di questa tecnologia richiede investimenti in ricerca e sviluppo. Inoltre, per ottenere benefici ottimali, è necessario un monitoraggio continuo delle prestazioni degli scambiatori di calore, accompagnato da test sperimentali e simulazioni computazionali avanzate.

Come utilizzare correttamente le dichiarazioni di formato in Fortran: precisione e risorse
Come Arietta Riuscì a Fuggire e le Implicazioni del Potere nella Selva
Come si Comportano i Campi Ferromagnetoelastici su una Sollecitazione Finita?
Qual è stato il percorso che ha trasformato Jawaharlal Nehru in un leader per l'indipendenza dell'India?
Quali sono i sistemi di protezione contro la corrosione più efficaci per le strutture metalliche in ambienti marini e offshore?