III° CASO II° CASO
1.2 Rassegna bibliografica
1.2.2 Alcune rassegne bibliografiche reperibil
In ordine storico, una prima interessante rassegna bibliografica sul tema dell’interazione fra suono e termofluidodinamica è riportata in [2].
Nel capitolo “Literature Survey” (pag. 1-52) di questo lavoro di tesi di dottorato del 1966 dell’Università canadese di Montreal, l’autore fa un resoconto dei lavori e dei risultati allora disponibili. Egli sin da subito sottolinea il fatto che la determinazione di come la generica vibrazione influenza lo scambio termico interessa tanto i sistemi nei quali essa è inserita volontariamente come strumento di maggiorazione dell’efficienza, sia tutti quei sistemi che inevitabilmente sono sottoposti a vibrazione; egli fa anche notare come la possibilità di incrementare il coefficiente di convezione di un fluido in ebollizione interessa particolarmente i reattori nucleari nei quali, com’è noto, il problema non è tanto aumentare la potenza termica prodotta quanto piuttosto quello di asportarla senza causare danni agli impianti.
Successivamente, dopo aver esposto i concetti di cavitazione acustica gassosa, di cavitazione acustica vaporosa e di corrente acustica, l’autore distingue gli articoli di letteratura (la maggior parte dei quali di carattere sostanzialmente tecnico) in 2×5=10 categorie; in particolare, egli differenzia i lavori:
• in base al tipo di mezzo elastico fluido e in base alla natura del suo moto nelle seguenti cinque categorie: aria in convezione naturale, aria in convezione forzata, acqua in convezione naturale, acqua in convezione forzata e pool-boiling;
• in base alla natura dell’eccitazione periodica in sistema eccitati acusticamente e sistemi eccitati meccanicamente (sostanzialmente mediante l’eccitazione diretta della parete sede di scambio).
Si osservi che questa sistemazione degli articoli è già di per se stessa un elemento di notevole interesse in quanto, per la prima volta, fornisce una visione concisa ed ordinata del tema, peraltro fornendo ai posteri un utile resoconto di quanto allora disponibile.
Nei commenti a questo primo capitolo, l’autore sottolinea infine come i risultati disponibili nel 1966 siano incoraggianti, ma piuttosto incoerenti: anche rimanendo in una delle 10 categorie delineate, una parte degli articoli mette in evidenza buone possibilità di miglioramento e un’altra parte denuncia cambiamenti trascurabili dalla situazione di equilibrio precedente la trasduzione a quella in campo acustico. L’autore giustifica parte di questa discrepanza affermando che le variabili in gioco sono numerosissime e parzialmente tenute in considerazione nei vari lavori.
Una seconda rassegna bibliografica, è riportata in [1], opera più recente della precedente, in quanto pubblicata nel 2011, e redatta da cinque autori francesi.
Nella parte introduttiva del lavoro gli autori mettono in evidenza il fatto che, benché gli ultrasuoni trovino già efficiente e consolidato impiego in numerosi settori industriali, come la reattoristica chimica, il trattamento di cibo e le operazioni di pulizia di apparecchi industriali, la loro applicazione nei processi di scambio termico è invece assai meno matura; essi asseriscono dunque che l’obiettivo del lavoro è appunto quello di fornire una prima base bibliografica a servizio di coloro che desiderano approfondire la tematica.
Fatto ciò, gli autori descrivono cosa debba intendersi per ultrasuono, come gli ultrasuoni vengano classificati in base alla frequenza e quali siano le peculiari applicazioni di ogni intervallo di frequenze; in questa sede vengono enunciate le dizioni alta e bassa potenza. Poste queste definizioni, gli autori elencano poi quali siano i principali meccanismi di alterazione dello scambio termico in presenza di campi acustici ultrasonori, ma solo due di essi vengono esposti in dettaglio in quanto ritenuti di maggiore rilevanza: la corrente acustica e la cavitazione acustica, delle quali vengono inoltre forniti numerosi riferimenti di letteratura; in particolare la cavitazione acustica viene suddivisa in cavitazione acustica transitoria, quando la bolla scompare e compare nel corso del fenomeno oscillatorio, e in cavitazione acustica stabile, quando invece la bolla esiste per tutto il periodo dell’oscillazione.
Nella prima parte del terzo capitolo si fornisce poi una breve storia dell’analisi dell’influenza dei campi acustici ultrasonori sullo scambio termico: oltre ad elaborare l’interessante grafico di figura 37, gli autori giustificano il relativo andamento asserendo che negli anni sessanta i risultati ottenuti erano incoraggianti, ma non abbastanza da comportare un’espansione o un mantenimento del livello d’interesse, mentre negli anni novanta il rinnovamento degli studi derivava da una maggiore sensibilità verso il risparmio energetico.
Molto interessante in questa parte è l’osservazione riguardo al fatto che, sebbene del lavoro fosse stato svolto nei confronti dello studio dell’alterazione della convezione, quasi alcuna attenzione era rivolta alla modifica dei fenomeni conduttivi nei solidi e dei fenomeni radiativi in generale: dei pochi lavori concernenti gli altri due meccanismi di scambio, gli autori enunciano i principali risultati, mettendo in luce come in realtà anche tali ambiti potrebbero offrire interessanti prospettive di sviluppo.
Nella seconda parte del terzo capitolo, si mostrano dunque quali siano i principali risultati conseguiti nei vari ambiti di scambio termico nei quali sia presente una transizione di fase; in particolare:
• nei sistemi di scambio termico con un liquido in ebollizione, si sottolinea come l’oscillazione in prossimità della parete di scambio causi sia una facilitazione del rilascio della bolla di vapore, sia una destabilizzazione del film di vapore, ritardandone e disagevolandone la comparsa e aumentando così il valore del flusso termico critico;
• nei sistemi di scambio termico con un cibo in essiccazione, si evidenzia una possibile agevolazione del processo di rilascio dell’umidità, in particolare nei cibi porosi.
Nella terza parte del terzo capitolo si espongono poi i risultati relativi a sistemi nei quali sia presente lo scambio termico di un liquido monofase in convezione.
In questa parte si mette in luce, analogamente a quanto fatto in [2], la sostanziale discrepanza fra i valori riportati in letteratura: per taluni l’incremento dello scambio termico è trascurabile, per altri si possono raggiungere valori del coefficiente di scambio convettivo 25 volte superiori a quelli dello stato di equilibrio antecedente la trasduzione. Del resto, come sottolineano gli autori, le variabili e i parametri in gioco sono riconosciuti essere decisamente numerosi, ed è difficile stabilire l’esatta radice della disuniformità dei risultati.
I diversi lavori sulla convezione monofase sono dunque sinteticamente esposti, e i risultati ottenuti, in termini di rapporto fra i coefficienti convettivi dopo e prima della trasduzione, riportati in funzione di due variabili: la potenza immessa col trasduttore (sebbene avvertendo il lettore che una potenza specifica, areica o volumica, sarebbe in realtà più opportuna, ma che non è purtroppo reperibile in molti articoli) e la frequenza di trasduzione.
Gli autori osservano che, mentre nel grafico relativo alla frequenza di trasduzione non è possibile scorgere alcuna correlazione evidente, nella prima zona del grafico relativo alla potenza si può osservare una sorta di relazione lineare fra i due parametri.
Come ultimo argomento sull’alterazione della convezione naturale di un liquido monofase, gli autori illustrano alcuni modelli analitico-computazionali appositamente sviluppati per questo settore; essi osservano come questo ambito sia decisamente promettente e possa aprire la strada allo sviluppo di appositi metodi utili nel processo di progettazione ingegneristica di un apparecchio di scambio termico.
Al termine del terzo capitolo, vi è un interessante grafico esagonale riguardante quale sia il fenomeno di alterazione dello scambio termico ritenuto più importante nei diversi articoli della rassegna:
Come si può vedere, la comunità scientifica ritiene la cavitazione acustica e, in misura minore, la corrente acustica, i due fenomeni più importanti di alterazione dello scambio termico di un liquido con una parete in presenza di campi acustici ultrasonori.
Il quarto capitolo riguarda infine la rassegna dei risultati ottenuti praticamente sugli scambiatori soggetti ad una vibrazione volontaria, vibrazione volta appunto a indagare il comportamento di massima dell’apparecchio in termini di variazione di rendimento.
Gli autori da subito avvertono il lettore che la complessità di questi sistemi è necessariamente maggiore di quella dei sistemi volti ad indagare la fisica di base, comportando una struttura meccanica articolata e la presenza contemporanea di due fluidi: lo stabilire quale o quali siano i fenomeni rilevanti è senza dubbio un’operazione più ardua.
Esposto questo avvertimento gli autori espongo i principali risultati ottenuti in letteratura: sono- reattori chimici e scambiatori a superficie di varia forma vengono presi in considerazione; in particolare, per gli scambiatori a tubi e mantello si segnala un aumento della trasmittanza termica globale misurata di 1,2 - 2,6 volte.
Sempre nel quarto capitolo, gli autori sottolineano come l’effetto anti-fouling della cavitazione acustica sia un fenomeno di primissimo piano, in quanto la buona pulizia di uno scambiatore è un requisito essenziale per il suo buon funzionamento; in questa parte viene anche esposto l’avvertimento di evitare assolutamente fenomeni corrosivi sulle superfici metalliche.
Il quarto capitolo termina esponendo i brevetti reperibili: sebbene la tecnologia dello scambio termico coadiuvato dagli ultrasuoni sia ancora poco matura, non sono pochi i brevetti presentati.
Al termine della rassegna è possibile reperire la suddivisione per ambito indagato degli articoli presi in considerazione:
Come si vede, la convezione e l’ebollizione sono i due ambiti maggiormente indagati.
Si osservi per finire che l’articolo riporta una serie di utili tabelle nelle quali si ha una descrizione sintetica dei diversi articoli e i principali risultati ottenuti.
Le due rassegne bibliografiche sopra sintetizzate costituiscono un buon punto di partenza e un primo riferimento per chi voglia approfondire l’argomento. Parte dei lavori in esse riportati saranno discussi nel dettaglio nei due sottoparagrafi seguenti, aggiungendo ad essi ulteriori pubblicazioni ritenute rilevanti (in particolare quelle successive al 2011).