Le prove di vaporizzazione vengono condotte a quattro differenti valori di portata specifica di massa che variano da 400 a 1600 kg m-2 s-1. Per ciascuna portata le condizioni operative, riportate in Tabella 7.1, sono le medesime, così come la procedura seguita.
La temperatura del fluido all’ingresso della sezione è pari a alla temperatura ambiente. La pressione di saturazione dell’impianto viene impostata in modo tale che all’ingresso, il fluido abbia un sottoraffreddamento di 5 K.
Al momento dell’accensione dell’impianto, si attendono circa 60-90 minuti prima di iniziare la campagna prove; questo per permettere al sistema di raggiungere condizioni stazionarie. Dopo questo periodo di attesa, viene eseguita la prima acquisizione a potenza elettrica nulla; essa sarà utile per avere una controprova dell’avvenuta stabilità in sede di riduzione dati. Successivamente la potenza elettrica viene aumentata. Dopo l’aumento della potenza elettrica, se si notano variazioni della portata, si agisce sulla pompa in modo tale da riportarla al valore desiderato. Successivamente si attende la stabilità nelle nuove condizioni operative. Una volta raggiunte, si attendono ulteriori 5-10 minuti prima di acquisire.
Portata di massa specifica G Temperatura di ingresso Tin Temperatura di saturazione Tsat [kg m-2 s-1] [°C] [°C] 400 25 31 800 25 30 1200 25 30 1600 25 30
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7.2 Riduzione dati
Come vedremo nel succedersi del capitolo, i dati sperimentali vengono raccolti in delle curve di ebollizione e in altri grafici che riportano le misure di coefficiente di scambio termico, titolo e flusso termico specifico imposto al fluido.
Le curve di ebollizione mostrano in ascissa la differenza di temperatura tra la temperatura interna locale di parete (Tw) e la temperatura puntuale di saturazione del fluido (Tsat), mentre in ordinata riportano il flusso termico specifico q. E’ possibile dunque, tracciare curve differenti per ciascuna termocoppia di parete installata.
Per quanto detto nel Capitolo 3, imponendo una certa potenza elettrica PEL, la potenza termica P assorbita dal fluido nel solo microcanale può essere calcolata come segue
𝑃 = 𝑃𝐸𝐿+ 𝑃𝐴𝑀𝐵 (7.1)
dove PAMB corrisponde alla potenza termica assorbita sulla superficie inferiore del prototipo e, come già visto, essa può essere stimata conoscendo la temperatura media di parete Tw. Si fa notare che rispetto al bilancio globale (Eq. 3.1) qui non viene conteggiata la potenza termica assorbita nei tratti di adduzione e disimpegno del fluido; questo perché si considera tale componente “esterna” al canale e quindi non deve essere conteggiata nel bilancio in Eq. 7.1. Nota la potenza termica netta P il calcolo del flusso termico specifico q avviene secondo l’Eq. 7.2
𝑞 = 𝑃
𝐴ℎ𝑒𝑎𝑡 (7.2)
dove Aheat corrisponde all’area di scambio. Nel nostro caso si considera che il flusso termico venga scambiato esclusivamente sulle tre pareti di silicio del canale. Tale ipotesi presuppone di considerare il vetro come un perfetto isolante, ipotesi accettabile considerando i valori di conducibilità termica del silicio e del vetro.
La temperatura interna di parete viene calcolata a partire dal valore registrato dalla termocoppia (Tw,MIS) e poi corretto secondo quanto visto nell’Eq. 3.17 e che viene qui di seguito riportata.
𝑇𝑤,𝑅𝐸𝐴𝐿 = 𝑇𝑤,𝑀𝐼𝑆− (𝑇𝑤,𝑀𝐼𝑆− 𝑇𝑤,𝐶𝐴𝐿𝐶) (7.3) La temperatura di saturazione viene ricavata dal valore della pressione locale. In prima approssimazione il profilo di pressione lungo il canale viene considerato lineare. Si ricorda che le pressioni all’ingresso e all’uscita del canale non sono quelle misurate direttamente dai trasduttori di pressione ma vengono considerate le perdite concentrate presenti.
La procedura per la stima delle perdite in ingresso e la valutazione della pressione all’ingresso del microcanale segue quanto detto in § 4.1.6.2.
125 In uscita le perdite vengono valutate applicando il modello omogeneo, il quale si basa sull’idea che la fase liquida e la fase gassosa abbiano eguale velocità all’interno del condotto. Le correlazioni usate per la stima delle perdite di pressione sono formalmente uguali a quelle riportate in § 4.1.6.2, solo che le proprietà termodinamiche (densità e viscosità dinamica) della miscela vengono calcolate come
𝜌𝑡𝑝= (𝑥 𝜌𝑉− 1 − 𝑥 𝜌𝐿 ) −1 (7.4)
per la densità, mentre
𝜇𝑡𝑝= (𝑥 𝜇𝑉− 1 − 𝑥 𝜇𝐿 ) −1 (7.5)
per la viscosità dinamica.
Una volta calcolati i valori di pressione all’ingresso (pinCH) e all’uscita (poutCH) del canale e considerato l’andamento lineare di essa, il valore locale p*, ad una distanza dall’ingresso LTC corrispondente al punto di incollaggio della termocoppia, può essere trovato per interpolazione lineare.
Figura 7.1 Valutazione della pressione locale
Dal valore di psat=p*, mediante l’utilizzo del software RefProp ver. 7.0, si risale alla corrispondente temperatura locale di saturazione.
Un altro dato che viene riportato nello studio sperimentale, è il coefficiente di scambio termico bifase: esso viene indicato con il termine HTC. Qualora sia necessario per evitare incomprensioni, viene usato, con lo stesso significato, il termine HTCMIS.
Conoscendo il flusso termico specifico q e la differenza di temperatura tra la temperatura interna locale di parete (Tw) e la temperatura di saturazione del fluido in quella posizione (Tsat), il coefficiente di scambio termico viene valutato secondo l’Eq. 7.6
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𝐻𝑇𝐶 = 𝐻𝑇𝐶𝑀𝐼𝑆 = 𝑞
𝑇𝑤,𝑅𝐸𝐴𝐿− 𝑇𝑠𝑎𝑡 (7.6)
Dal momento che alla parete si sono incollate due termocoppie, per ogni condizione sperimentale è possibile misurare due coefficienti di scambio
Per il titolo di vapore si considera un andamento lineare tra il valore di ingresso xinCH e quello di uscita xoutCH. Il titolo in ingresso e in uscita vengono calcolati rispettivamente con l’Eq. 7.7 e l’Eq. 7.8. 𝑥𝑖𝑛𝐶𝐻 =ℎ𝑖𝑛− ℎ𝐿 ℎ𝑉− ℎ𝐿 (7.7) 𝑥𝑜𝑢𝑡𝐶𝐻 =ℎ𝑜𝑢𝑡− ℎ𝐿 ℎ𝑉− ℎ𝐿 (7.8)
Il termine hL indica l’entalpia del liquido saturo, mentre hV quella del vapore saturo secco. Entrambe vengono valutate alla pressione di ingresso del canale (pinCH). Nell’Eq. 7.7 hin indica l’entalpia del fluido all’ingresso del canale, è dunque funzione della temperatura di ingresso, misurata con termocoppia in inox, e della pressione pinCH. Le entalpie hin, hL, hV vengono tutte valutate utilizzando il software RefProp 7.0.
L’entalpia in uscita hout, invece, viene calcolata attraverso il bilancio termico in Eq. 7.9.
ℎ𝑜𝑢𝑡= ℎ𝑖𝑛+𝑃
𝑚̇ (7.9)