APPARATI SPERIMENTALI E RISULTATI OTTENUTI

APPARATO SPERIMENTALE No.1

Con l’uso di questo apparato sono stati investigati, in lavori precedenti, i benefici indotti dall’ion injection sullo scambio termico nel caso di convezione mista in un annulus verticale uniformemente riscaldato con flusso in controgravità e nel caso di convezione mista in un annulus orizzontale uniformemente riscaldato.

Lo schema dell’apparato viene riportato di seguito (Figura 6.3).

Figura 6.3 Schema dell’apparato sperimentale No.1, [40]

Come si può vedere l’apparato è un impianto chiuso, in cui scorre FC-72, spinto da una apposita pompa peristaltica. La camera di prova è illustrata in modo dettagliato in Figura 6.4.

Figura 6.4 Camera di prova in dettaglio (misure in mm), [38]

L’annulus della camera di prova, fatto di acciaio inossidabile, ha un diametro esterno pari a 17.3 mm e un diametro interno di 1.6 mm; la lunghezza della parte riscaldata è di 50 cm. Gli elettrodi emettitori sono di forma aguzza e sono disposti in più sezioni trasversali della camera di prova perpendicolarmente alla superficie riscaldata, a partire dalla parte interna dell’annulus (Figura 6.5). Il fluido entra nella sezione di test ad una temperatura di 20°C.

Figura 6.5 Disposizione delle punte in due sezioni longitudinali caratteristiche della sezione di prova, [40]

I risultati ottenuti, nel caso di annulus verticale con flusso in controgravità, sono riassunti nella seguente Figura 6.6.

Figura 6.6 Numero di Nusselt medio sulla parete esterna dell’annulus con flusso verso l’alto in funzione di Re

con presenza di campo elettrico, [38]

Nella Figura 6.6 si è fatto uso del numero di Grashof riferito al flusso di calore, già riportato nell’Eq.2.12. Con HV invece si identifica il voltaggio applicato alle punte.

Il numero di Nusselt rilevato in presenza del campo elettrico aumenta fino a cinque volte rispetto al caso di assenza di campo elettrico, fino a raggiungere valori di circa 200 per Re pari a circa 1500 (regime sempre laminare). Altri risultati disponibili provengono dall’utilizzo della stessa configurazione nel caso però dei soli emettitori centrali alimentati con una differenza di potenziale di 22 kV: si raffigura allora la variazione del numero di Nusselt lungo la coordinata longitudinale dell’annulus (Figura 6.7).

Figura 6.7 Numero di Nusselt in funzione della coordinata longitudinale, a vari Re, con campo elettrico, [38]

Si può notare una certa asimmetria dello scambio termico che si accentua al diminuire del numero di Reynolds.

Nel caso in cui l’annulus venga disposto orizzontalmente sempre in condizione di riscaldamento uniforme i risultati sono raffigurati nella seguente Figura 6.8.

Figura 6.8 Numero di Nusselt in funzione della coordinata longitudinale (annulus orizz., uniformemente

riscaldato, campo elettrico), [38]

In questo caso, relativamente alla precedente situazione, le forze di galleggiamento compiono un ruolo diverso: nell’annulus disposto verticalmente la gravità aiuta il flusso a trascinare via dalle pareti la massa fluida calda, mentre nel caso di disposizione orizzontale solo l’azione del flusso principale è utile nello svolgimento di questo compito. Per questo motivo la velocità di trasferimento del calore risulta molto più bassa rispetto al caso precedente.

APPARATO SPERIMENTALE No.2

Grazie a questa strumentazione sono stati studiati, in altre campagne sperimentali, gli effetti locali dell’ion injection sullo scambio termico convettivo con gli elettrodi disposti secondo una configurazione punta-piano. Il disegno schematico dell’apparato è riportato nella seguente Figura 6.9.

Figura 6.9 Disegno schematico della vasca di prova, [41]

Come si vede dalla Figura 6.9 l’apparato si compone essenzialmente di una vasca di Lexan con dimensioni interne di 200 x 170 x 130 mm3 il cui interno viene riempito dal fluido di lavoro. Sulla parte inferiore della vasca è appoggiata una piastra di acciaio inossidabile (113 x 109 x 5 mm3), collegata a terra e riscaldata da due termoresistenze piane adiacenti l’una all’altra. Nella regione centrale del nucleo fluido è presente l’elettrodo emettitore sorretto da un apposito portapunta, collegato a sua volta ad una vite di registro: questa si serra sulla parete superiore della vasca ed ha la funzione di regolare a piacimento la distanza tra gli elettrodi. Si nota anche il passaggio di un tubo di rame opportunamente piegato che funziona da scambiatore di calore. La rilevazione delle temperature è affidata a nove termocoppie, due delle quali risultano immerse nel fluido, mentre le altre sette, di tipo T, sono state poste sotto la piastra scaldante, lungo la sua linea mediana passante in corrispondenza dell’emettitore, cosi come mostrato in Figura 6.10.

Figura 6.10 Posizionamento delle termocoppie sotto la piastra, [41]

La termocoppia 1 è stata posta direttamente sotto l’elettrodo a punta, ovvero in corrispondenza del punto di ristagno teorico del getto. A detta posizione si pone anche l’origine dell’asse x. I risultati ottenuti, utilizzando FC-72 come fluido operativo e spostandoci lungo la coordinata x prima vista vengono riportati nella seguente Figura 6.11.

Figura 6.11 Nu lungo la coordinata longitudinale della piastra a seconda del materiale della punta e della

distanza tra gli elettrodi, [41]

Il valore della distanza tra gli elettrodi e quello della differenza di potenziale applicata sono stati scelti in modo da fornire i valori massimi del numero di Nusselt, relativamente ad ogni materiale della punta. Rispetto al regime di convenzione mista, quindi, lo scambio termico risulta fortemente migliorato. I due massimi si presentano non sul punto di ristagno del getto ma nelle immediate vicinanze: questo, probabilmente, perché il flusso sviluppa a pieno una condizione di turbolenza subito dopo che il getto ha “battuto” contro la parete.

Un’opportuna modifica all’apparato è costituita dall’inserimento di una piastra di Lexan, fissata al portapunta, proprio sopra all’emettitore (Figura 6.12): in questo modo il fluido sopra di esso non contribuisce al getto fluidodinamico. Tale situazione è detta di getto confinato.

Figura 6.12 Vasca di prova dotata di piastra per il sconfinamento del getto, [41]

Come è logico attendersi, in questa condizione lo scambio termico risulta inferiore rispetto alla situazione di getto libero, ma i numeri di Nusselt calcolati sono sempre più alti rispetto alle condizioni di assenza di campo elettrico (Figura 6.13).

Figura 6.13 Confronto del Nu al punto di ristagno per getti confinati e non in funzione della distanza tra gli

elettrodi, [41]

Quest’ultima configurazione è stata utilizzata anche ruotata di 180°, in modo che la piastra si venga a trovare sopra la punta metallica ed il getto si muova in condizione di controgravità (Figura 6.14).

Figura 6.14 Vasca di prova ruotata di 180°, [42]

La prova viene svolta per stabilire la presenza o meno di una certa sensibilità dei fenomeni studiati all’azione della gravità. Il fluido di lavoro è l’HFE-7100, liquido dielettrico debolmente polare, le cui caratteristiche sono molto simili a quelle dell’FC-72, eccetto per le proprietà elettriche: la differenza è dovuta ai diversi momenti di dipolo delle molecole dei due fluidi. I risultati, per questo caso, vengono riportati nella seguente Figura 6.15.

Figura 6.15 Andamento del <Nu> e del Numax in funzione della d.d.p. e della distanza tra gli elettrodi, [42]

Anche in questo caso l’applicazione del campo elettrico aumenta notevolmente le performance di scambio termico. È da notare come ripetutamente si arrivi a distinguere una distanza ottima tra gli elettrodi.

Nello svolgimento degli esperimenti con questo tipo di apparato è stato altresì possibile stimare il valore della corrente elettrica che risulta, al massimo, dell’ordine del decimo di

A

µ . Poiché questa corrente si sviluppa grazie all’applicazione di voltaggi pari a circa 30 kV, la potenza spesa per effetto Joule rimane a livelli trascurabili (al più 8.1 mW circa) rispetto a quella immessa per riscaldare la piastra.