7. CAMPAGNA SPERIMENTALE
7.3 F ASE SPERIMENTALE 3
La terza fase sperimentale rappresenta un passaggio preliminare allo studio delle curve di ebollizione in pool boiling e in presenza del getto impattante. Lo scopo è quello di individuare l’effetto di alcuni parametri significativi per poter indirizzare in maniera più specifica le fasi successive. Le prove sperimentali fatte in questa fase consistono nella raccolta dei dati per costruire le curve di ebollizione al variare del sottoraffreddamento, della tensione e della distanza fra gli elettrodi.
Poiché anche in questa fase si è lavorato con tensioni piuttosto alte (fino a 19,5kV), il sistema di acquisizione è stato scollegato.
La differenza di potenziale tra gli elettrodi è stata letta dall’indicatore sul modulo di alta tensione, mentre la temperatura media del fluido è stata regolata all’inizio di ogni set di prove come detto per la fase sperimentale 2.
Per avere una stima della corrente che attraversa la lastra scaldante e per risalire alla sua resistenza elettrica sono stati utilizzati due multimetri METEX 4650. Con uno dei due è stata misurata la caduta di potenziale sulla resistenza campione posta nel circuito di bassa tensione. In questo modo è possibile risalire alla corrente che circola nella lastra. Con l’altro METEX è stata misurata la caduta di potenziale sulla lastra stessa.
139 Con queste due grandezze è stato possibile ricavare il flusso termico sulla superficie della piastra e la sua resistenza elettrica che è legata alla sua temperatura. Nella presente fase sperimentale è stata utilizzata per l’ultima volta la lastra n°4. In seguito ai numerosi CHF subiti la sua taratura non è più valida e persino la termocoppia si è distaccata a causa della fusione del materiale saldante che la univa al retro della lastra. Per questo motivo le curve di ebollizione mostrate nel seguito riportano l’andamento del flusso termico in funzione della resistenza della lastra e non della sua temperatura.
La resistenza della lastra ed il flusso termico sono calcolati come:
Dove è l’area della superficie di misura della lastra.
L’errore relativo sulla misura di resistenza della lastra e quello sul flusso termico coincidono e sono:
Un valore tipico è:
Decisamente più alto di quello che si ottiene con il sistema di acquisizione.
Dove l’errore relativo sulla resistenza campione è quello già visto . Gli altri due errori relativi sono quelli riportati in appendice B (tab. B3), considerando che la caduta di tensione sulla resistenza campione è , mentre in tutti i casi di interesse la caduta di tensione sulla lastra è .
140 Le prove sperimentali effettuate nella terza fase sono riassunte nelle seguenti tabelle.
FASE SPERIMENTALE 3 Tipo di esperienza
Costruzione delle curve di ebollizione a potenza crescente e presa immagini dei
regimi fluidodinamici
Esperienze in pool boiling Si
Esperienze con getto EHD Si
Grandezze misurate
Temperatura media del fluido di lavoro Distanza tra gli elettrodi
Tensione tra gli elettrodi
Caduta di tensione sulla lastra scaldante Corrente attraverso la lastra
Strumento utilizzato Due multimetri METEX 4650 Tab. 7.5 Tabella riassuntiva della fase sperimentale 3
HV [kV] z [mm] Sottoraffreddamento [K] - (Ja) 0 - 0 - (0) 40 - (0,42) ±11,1 8 0 - (0) 40 - (0,42) ±13,9 8 0 - (0) 40 - (0,42) ±16,7 8 0 - (0) 40 - (0,42) ±19,5 8 0 - (0) 40 - (0,42) ±11,1 12 0 - (0) 40 - (0,42) ±13,9 12 0 - (0) 40 - (0,42) ±16,7 12 0 - (0) 40 - (0,42) ±19,5 12 0 - (0) 40 - (0,42)
HV: Differenza di potenziale tra gli elettrodi; z: Distanza fra gli elettrodi; Ja: Numero di Jakob Tab.7.6 Matrice di prova della fase sperimentale 3
Le curve di ebollizione saranno parametrizzate non direttamente con il sottoraffreddamento, ma con in numero di Jakob:
Perciò, con le proprietà dell’HFE-7100 (appendice A):
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Risultati e visualizzazioni – ebollizione satura
Le curve di ebollizione ottenute con il liquido nelle condizioni di saturazione sono le seguenti:
Fig. 7.10 Curve di ebollizione nel caso di liquido saturo
Da questi grafici si nota in primo luogo che, a parità di flusso termico, con il getto EHD si ottengono valori di resistenza della lastra più bassi rispetto al caso di pool boiling. Ciò significa che anche la temperatura della lastra è inferiore. Questo effetto è più marcato quando la polarità dell’elettrodo emettitore è negativa.
Le curve di ebollizione tendono a coincidere tutte con quella di pool boiling a flussi alti, infatti in queste condizioni la lastra è interessata dall’ebollizione su tutta la sua superficie, nonostante la presenza del getto. È visibile anche l’effetto della distanza fra gli elettrodi, infatti, se questa aumenta, il collasso appena descritto avviene a flussi termici inferiori a parità di tensione imposta.
142 A parità di flusso, la temperatura della lastra in generale si abbassa all’aumentare della differenza di potenziale tra gli elettrodi. Questo parametro non influisce solo sulla temperatura della lastra, ma ha anche un effetto visibile ad occhio nudo.
All’aumentare della tensione infatti l’onset dell’ebollizione viene ritardato a flussi termici più alti e parte dalla periferia della zona di ristagno del getto estendendosi verso l’interno all’aumentare del flusso.
Fig. 7.11a Fig. 7.11b
La figura mostra le due situazioni più differenti: in fig. 7.11a si ha polarità negativa dell’elettrodo emettitore e distanza di 8mm di questo dalla lastra, condizione in cui il getto è più efficace; in fig. 7.11b si ha il caso di polarità positiva e di distanza pari a 12mm, condizione di efficacia peggiore del getto. In entrambi i casi si vede il ritardo dell’onset all’aumentare della tensione. Il ritardo è più netto in fig. 7.11a e dipende maggiormente dal valore della tensione, al contrario in fig. 7.11b l’ebollizione inizia allo stesso flusso per tutti i livelli di tensione. Ciò è dovuto all’effetto combinato della polarità positiva e della maggiore distanza tra gli elettrodi.
143 Nella figura seguente è ben visibile come all’aumentare della tensione tra gli elettrodi il getto diventa più vigoroso ed inibisce sempre di più l’ebollizione. Il flusso termico è fissato a 1,8W/cm2; vengono confrontati i due casi differenti di fig. 7.11.
Pool boiling a) HV= -11,1 kV ; z=8mm HV= +11,1 kV ; z=12mm b) c) HV= -13,9 kV ; z=8mm HV= +13,9 kV ; z=12mm d) e)
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HV= -16,7 kV ; z=8mm HV= +16,7 kV ; z=12mm f) g) HV= -19,5 kV ; z=8mm HV= +19,5 kV ; z=12mm h) i)
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Risultati e visualizzazioni – ebollizione sottoraffreddata
Le curve di ebollizione ottenute con 40 °C di sottoraffreddamento sono le seguenti:
Fig. 7.13 Curve di ebollizione nel caso di liquido sottoraffreddato
In questo caso l’effetto della polarità del getto e della distanza tra gli elettrodi è poco visibile, appare invece evidente, a parità di flusso termico, l’abbassamento di temperatura all’aumentare della tensione imposta.
Questo comportamento è dovuto al regime di ebollizione che si instaura sulla piastra. Dato il forte sottoraffreddamento le bolle di vapore tendono a condensare dopo il distacco dalla lastra scaldante, quindi il flusso di vapore in controcorrente al getto è piuttosto esiguo. Come risultato il getto riesce a spazzare la superficie pressoché in ogni situazione. Inoltre il flusso termico massimo raggiunto in questo caso è ben lontano dal CHF poiché limitato dalla necessità di riuscire a mantenere l’alto grado di sottoraffreddamento.
146 Sono messi a confronto i due casi estremi, ovvero polarità negativa dell’elettrodo emettitore con distanza fra gli elettrodi 8mm e polarità positiva con distanza 12mm.
Fig. 7.14a Fig. 7.14b
Si nota che il getto ritarda di più l’onset dell’ebollizione nel caso della polarità negativa, ma esso risulta molto efficace anche nel caso della polarità positiva.
Nella figura seguente è possibile vedere che alla tensione massima l’ebollizione è sempre inibita al centro della lastra, indipendentemente dalla polarità. Le immagini sono relative al valore massimo del flusso termico e alla massima distanza tra punta e lastra.
147
Pool boiling a) HV= -19,5 kV ; z=12mm HV= +19,5 kV ; z=12mm b) c)
Fig. 7.15 Efficacia del getto al massimo flusso termico in ebollizione sottorafreddata
7.3.1 Conclusioni sui risultati della fase 3
La polarità negativa dell’elettrodo emettitore è quella che dà i risultati migliori in termini di abbassamento della resistenza della lastra a parità di flusso termico rispetto al caso di pool boiling.
Quando la distanza tra gli elettrodi aumenta il getto è meno efficace, specie quando il liquido è saturo o poco sottoraffreddato ed il flusso di vapore che sale dalla lastra è intenso. Poiché l’efficacia del getto è stata valutata solo con 8mm e 12mm tra gli elettrodi, non è possibile dire se questo comportamento è monotono al variare della distanza. Nel presente studio la distanza di 8mm è stata ritenuta quella migliore.
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In condizioni di saturazione, oltre certi flussi termici, il getto non riesce a raggiungere la superficie scaldante per quanto si alzi la tensione fra gli elettrodi. Da notare che il valore massimo della tensione è limitato dal problema della scarica.
Quando il liquido è molto sottoraffreddato il getto l’ebollizione è inibita praticamente sempre nella zona di ristagno del getto.
Date queste considerazioni, nelle fasi successive lo studio è ristretto al caso di elettrodo distante 8mm dalla superficie scaldante con tensioni che non superano i 13,9kV.