7. CAMPAGNA SPERIMENTALE
7.2 F ASE SPERIMENTALE 2
Nella prima fase sperimentale l’attenzione è stata focalizzata sul principale vincolo da tenere in considerazione nell’esercizio dell’apparato sperimentale, ovvero il flusso termico critico. Come detto le condizioni operative devono essere ragionevolmente lontane da questo limite per evitare danneggiamenti dell’elemento scaldante in primo luogo.
La seconda fase sperimentale introduce un nuovo parametro, ovvero la tensione applicata fra l’elettrodo emettitore a punta e la lastra che funge da elettrodo collettore per l’ion injection.
130 Lo scopo principale di questa fase è quello di analizzare l’influenza del nuovo parametro sul CHF. Tuttavia il valore della differenza di potenziale tra i due elettrodi menzionati è soggetta ad un altro vincolo che va rispettato quando si impiega il getto EHD. Infatti, l’applicazione di una tensione troppo alta può causare una scarica se il campo elettrico supera in media la rigidità dielettrica del fluido. Sebbene sia presente un circuito che protegge il sistema di acquisizione dalle scariche queste sono da evitare. Le scariche sono fenomeni transitori violenti che causano stress in tutti i componenti dell’apparato sperimentale, possono deteriorare gli isolanti e rappresentano un fattore di rischio per gli operatori, seppur non grave date le basse potenze in gioco.
Tenendo in considerazione questo fatto l’obiettivo della seconda fase sperimentale diventa quello di valutare l’influenza del getto EHD sul CHF mantenendo la tensione tra gli elettrodi entro valori per cui non ci sia rischio di scariche.
Prove di scarica
Le esperienze vere e proprie sono dunque state precedute da prove di scarica. La distanza minima tra elettrodo e lastra è stata presa pari a 8mm. In queste condizioni, con le due polarità dell’elettrodo emettitore sono state registrate scariche con tensioni tra 23kV e 26kV. Nonostante ciò il campo elettrico in prossimità della punta raggiunge valori prossimi o superiori alla rigidità dielettrica del fluido già intorno a 17kV, poiché con questa differenza di potenziale sono udibili scricchiolii e sono saltuariamente visibili piccole scariche locali in direzione di impurità del fluido che passano vicino all’elettrodo emettitore.
Matrice di prova
Nella presente fase è stato definito il CHF come in precedenza, ovvero come il flusso termico per il quale è visibile la formazione del primo strato di vapore continuo in un punto qualsiasi della lastra.
Per valutare l’effetto del campo elettrico sul CHF sono state effettuate prove con tensioni fino a 22,5kV, il massimo possibile per evitare le scariche. Dato l’alto valore della differenza di potenziale imposta, il sistema di acquisizione è stato scollegato per sicurezza.
131 Le grandezze misurate e regolate sono state la temperatura media del fluido di lavoro, la distanza tra gli elettrodi e la tensione imposta tra questi. All’inizio di ogni set di prove è stato ottenuto un certo grado di sottoraffreddamento e si è atteso il raggiungimento di una condizione stazionaria, dopodiché i sensori di temperatura sono stati scollegati dallo strumento di misura. Anche la distanza tra gli elettrodi è stata imposta preliminarmente ad ogni gruppo di prove. La tensione imposta è stata letta dall’indicatore del modulo di alta tensione. Per quanto detto le valutazioni sul flusso critico fatte in questa sede sono solo qualitative, è stato osservato visivamente se il getto elettroidrodinamico fosse in grado di modificare il regime di ebollizione in corrispondenza del flusso critico. Ogni raggiungimento del CHF è stato filmato tramite la videocamera Hitachi. Ancora una volta è stata utilizzata la lastra n°4.
Si riportano la tabella riassuntiva e la matrice delle esperienze effettuate:
FASE SPERIMENTALE 2
Tipo di esperienza Visualizzazione del CHF
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
Strumento utilizzato MicroCal 200+ per misura di temperatura Tab. 7.3 Tabella riassuntiva della fase sperimentale 2
HV [kV] z [mm] Sottoraffreddamento [K] 0 - 2 10 20 30 40 ±11,1 8 2 10 20 30 40 ±13,9 8 2 10 20 30 40 ±16,7 8 2 10 20 30 40 ±19,5 8 2 10 20 30 40 ±22,5 8 2 10 20 30 40 ±13,9 12 2 10 20 30 40 ±16,7 12 2 10 20 30 40 ±19,5 12 2 10 20 30 40 ±22,5 12 2 10 20 30 40
HV: Differenza di potenziale tra gli elettrodi; z: Distanza fra gli elettrodi Tab.7.4 Matrice di prova della Fase sperimentale 2
132
Visualizzazioni – ebollizione satura
Al flusso definito come critico, le visualizzazioni mostrano che il getto EHD è in grado di modificare notevolmente il regime fluidodinamico dell’ebollizione, ma solo nella zona centrale della lastra, come si può vedere dalle immagini seguenti. Esse sono relative al caso di ebollizione quasi satura e mostrano, in confronto al pool boiling, l’effetto del getto corrispondente a una delle tensioni più basse e alla tensione più alta con la polarità negativa dell’elettrodo emettitore.
Pool boiling a) HV= -13,9 kV ; z=8mm HV= -22,5 kV ; z=8mm b) c)
Fig.7.3 Confronto tra pool boiling ed ebollizione con getto
Si nota che nel caso saturo il getto non riesce a spazzare completamente nemmeno il centro della lastra e le zone periferiche non sono raggiunte dalla sua zona di influenza. È proprio dalle zone periferiche che la superficie inizia a ricoprirsi del film di vapore in prossimità del CHF.
Le visualizzazioni seguenti mostrano l’effetto della distanza tra gli elettrodi sull’efficacia del getto nel caso di polarità negativa.
133
HV= -13,9 kV ; z=8mm HV= -22,5 kV ; z=8mm a) b) HV= -13,9 kV ; z=12mm HV= -22,5 kV ; z=12mm c) d)
Fig.7.4 Effetto della distanza tra gli elettrodi
Si nota che all’aumentare della distanza tra gli elettrodi il getto raggiunge la piastra con sempre maggiore difficoltà. Nel caso della tensione più alta (-22,5kV) ciò si nota meno, ma è evidente nel caso della tensione più bassa (-13,9kV).
Si mostra infine l’effetto della polarità dell’elettrodo emettitore a distanza fissata (z=8mm).
HV= -13,9 kV ; z=8mm HV= -22,5 kV ; z=8mm
134
HV= +13,9 kV ; z=8mm HV= +22,5 kV ; z=8mm
c) d)
Fig.7.5 Confronto tra le polarità dell’elettrodo emettitore
Si nota chiaramente che con la polarità positiva la capacità del getto di inflenzare il regime fluidodinamico è inferiore.
Visualizzazioni – ebollizione sottoraffreddata
Si mostrano adesso visualizzazioni analoghe a quelle ottenute per il caso saturo, ma ricavate in ebollizione sottoraffreddata, con grado di sottoraffreddamento pari a 20K. In primo luogo è riportato il confronto tra il pool boiling e l’ebollizione in presenza del getto.
Pool boiling
a)
HV= -13,9 kV ; z=8mm HV= -22,5 kV ; z=8mm
b) c)
135 Anche in questo caso l’influenza del getto è ben visibile, ma la transizione al film boiling avviene ancora alla periferia della lastra, dove il getto non può arrivare.
Questo è facilmente visibile quando l’alimentazione dell’elemento scaldante viene disattivata impulsivamente in corrispondenza del CHF. È possibile osservare il film di vapore in regressione alle estremità della lastra non appena l’alimentazione viene disattivata e l’ebollizione cessa su tutto il resto della lastra.
HV= -22,5 kV ; z=12mm
a)
Spegnimento
b)
136 Si mostra l’effetto della distanza tra gli elettrodi.
HV= -13,9 kV ; z=8mm HV= -22,5 kV ; z=8mm
a) b)
HV= -13,9 kV ; z=12mm HV= -22,5 kV ; z=12mm
c) d)
Fig.7.8 Effetto della distanza tra gli elettrodi
Anche in questo caso si osserva un peggioramento dell’efficacia del getto all’aumentare della distanza, specie alla tensione più bassa.
Le differenze nell’efficacia del getto con le due polarità dell’elettrodo emettitore a distanza fissata sono mostrate dalla figura seguente.
HV= -13,9 kV ; z=8mm HV= -22,5 kV ; z=8mm
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HV= +13,9 kV ; z=8mm HV= +22,5 kV ; z=8mm
c) d)
Fig.7.9 Confronto tra le polarità dell’elettrodo emettitore
Ancora una volta sembra più efficace la polarità negativa.
7.2.1 Conclusioni sui risultati della fase 2
Il getto EHD riesce a modificare visibilmente il regime di ebollizione nella zona centrale della lastra.
Nonostante ciò, la transizione al film boiling avviene sempre in corrispondenza dell’estrema periferia della lastra, indipendentemente dalla presenza o meno del getto ed indipendentemente dalla sua velocità, legata alla tensione imposta tra gli elettrodi.
In queste condizioni è impossibile pronunciarsi, specie in termini quantitativi, sulla capacità del getto di innalzare il CHF.
Per poter osservare gli effetti del getto EHD sul CHF andrebbero prese in considerazione modifiche dell’apparato sperimentale. Si può pensare di modificare l’elemento scaldante o i suoi sostegni affinché la sezione più critica del riscaldatore diventi quella centrale, su cui il getto può agire. Un’altra possibilità è quella di modificare l’elettrodo emettitore, ad esempio sostituendolo con una schiera di punte.
138
A seguito di queste osservazioni si è deciso di non fare ulteriori valutazioni sul CHF nel presente studio. L’attenzione verrà focalizzata sull’influenza del getto sullo scambio termico in regime di ebollizione nucleata. Sarà anche preso in considerazione il regime di convezione naturale o forzata che si osserva a flussi termici più bassi di quello di inizio ebollizione.
Dalle visualizzazioni mostrate in questa fase ha preso le mosse il modello illustrato nel paragrafo 3.5. Si vede bene, ad esempio in figura 7.8 e 7.9 come ci sia una frontiera piuttosto netta tra il flusso di vapore in risalita e il getto EHD che cerca di raggiungere il riscaldatore.