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In questo ultimo capitolo viene descritta la prova sperimentale condotta in laboratorio sul calcolo dell’emissività. La prova viene svolta in due modi, come descritto al capitolo II, con il riferimento di temperatura preso su un pezzo di nastro isolante supposto ad emissività costante e con il riferimento preso da una termocoppia. La termocoppia viene posta a contatto con i pezzi di striscianti ed opportunamente isolata dall’ambiente esterno.
Vengono condotte più prove di regime a temperatura crescenti e per finire viene registrata una sequenza sul transitorio di raffreddamento.
4.1 Descrizione della prova
La prova consiste nell’indagine sull’emissività termica di due porzioni di due striscianti di un pantografo, per sistemi ferroviari ad alta velocità. I due striscianti in questione sono costituiti uno di carbonio e l’altro di carbonio impregnato di rame.
Figura 4.1 – Le due porzioni di striscianti
La determinazione dell’emissività viene condotta mediante osservazione termografica dei due provini: in una prima fase vengono osservati i due provini per diversi valori di temperatura, comprese tra la temperatura ambiente, fino a circa 80 °C, ad intervalli di quindici gradi Kelvin.
Portati a temperatura massima viene avviata la registrazione, ed osservato il transitorio di raffreddamento per quindici minuti.
Descrizione della prova Capitolo IV
Nelle prove viene applicata la termocoppia a contatto con il provino e isolata dall’ambiente esterno grazie ad uno strato di materiale termo-isolante; gli strati così formati vengono avvolti al provino grazie a del nastro isolante. Il contatto viene mantenuto a mezzo di un morsetto metallico applicato tra il provino ed una lamina di metallo, appositamente predisposta per uniformare la pressione esercitata dal morsetto. Il morsetto e la lamina metallica ricoperta di nastro isolante sono disposti sulla parte sinistra del provino visibile in figura 4.3.
La diversità di colorazione non è nella differenza di temperatura, bensì nella differente emissività; il nastro isolante viene comunemente supposto ad emissività costante, pari a 0,95. Tale valore verrà preso come riferimento per tutto l’intervallo di temperatura di esecuzione della prova, ma si vedrà che tale ipotesi non sarà più valida per valori di temperatura superiori a 75 °C.
Il calcolo dell’emissività, come spiegato al paragrafo 2.7, può essere svolto in due modi differenti: applicando un marcatore ad emissività costante come riferimento di temperatura, rappresentato nel presente caso dal nastro isolante; oppure a sostituzione del marcatore è possibile utilizzare una termocoppia.
Figura 4.3 – Il provino usato per le prove a regime e per il transitorio
Nelle prova di transitorio, al raggiungimento della temperatura massima, prima della registrazione, viene applicato un altro ritaglio di nastro isolante, vicino alla termocoppia, al fine di una migliore valutazione dell’emissività; infatti sottoponendo
il ritaglio di nastro usato nelle prove a regime, al flusso diretto di aria calda, questo mostrava evidenti di danneggiamento.
4.2 Le prove a regime
Nelle prove a regime, il ritaglio di nastro isolante viene supposto ad emissività costante, pari a 0,95 ed utilizzato come riferimento di temperatura per il calcolo dell’emissività; posto a confronto con il valore ottenuto dal riferimento termocoppia.
Figura 4.4 – Le aree di riferimento per il calcolo dell’emissività
Essendo le superfici dei provini poco omogenee, data la scarsa finitura di lavorazione, supponendo perciò che l’emissività possa variare (anche se relativamente) su tali superfici, vengono selezionate dieci aree (nove più una che le racchiude tutte: l’area 10); una sola area invece, viene selezionata per il riferimento sul nastro isolante.
Si calcolano le emissività per ogni area, per il riferimento termocoppia e per il riferimento nastro; successivamente si calcola la media ponendola a confronto con i valori ottenuti per l’area somma delle singole: l’area 10; si ripete la prova da 35 °C a 80 °C ad intervalli di 15 °C
Le prove a regime Capitolo IV Prova a 35 °C Strisciante in carbonio Nome Area Tε=1[°C] Trif [°C] termocoppia ε rif T [°C] nastro ε 1 31,46 35 0,693 35,2 0,681 2 31,66 35 0,710 35,2 0,698 3 31,46 35 0,695 35,2 0,681 4 31,49 35 0,965 35,2 0,684 5 31,80 35 0,722 35,2 0,710 6 31,46 35 0,693 35,2 0,681 7 31,55 35 0,700 35,2 0,688 8 31,75 35 0,717 35,2 0,705 9 31,52 35 0,698 35,2 0,686 Media 31,57 - 0,732 - 0,690 10 31,57 35 0,73 35,2 0,690 Rif. 34,63 35 0,96 35,2 0,95
Strisciante in carbonio impregnato di rame
Nome Area Tε=1[°C] Trif[°C] termocoppia ε rif T [°C] nastro ε 1 33,14 35,1 0,831 35,24 0,820 2 33,17 35,1 0,833 35,24 0,822 3 33,06 35,1 0,823 35,24 0,813 4 32,95 35,1 0,813 35,24 0,804 5 33,06 35,1 0,823 25,24 0,813 6 33,03 35,1 0,821 35,24 0,811 7 33,12 35,1 0,828 35,24 0,818 8 33,23 35,1 0,838 35,24 0,827 9 33,20 35,1 0,835 35,24 0,825 Media 33,12 . 0,828 - 0,818 10 33,11 35,1 0,827 35,24 0,817 Rif. 34,66 35,1 0,96 35,24 0,95
Prova a 50 °C Strisciante in carbonio Nome Area Tε=1[°C] Trif[°C] termocoppia ε rif T [°C] nastro ε 1 40,91 50,3 0,661 50,5 0,656 2 41,67 50,3 0,687 50,5 0,682 3 41,07 50,3 0,666 50,5 0,661 4 40,83 50,3 0,658 50,5 0,653 5 42,2 50,3 0,706 50,5 0,700 6 41,44 50,3 0,679 50,5 0,674 7 41,15 50,3 0,669 50,5 0,664 8 42,17 50,3 0,705 50,5 0,700 9 41,38 50,3 0,677 50,5 0,672 Media 41,42 - 0,679 - 0,674 10 41,44 50,3 0,679 50,5 0,674 Rif. 49,15 50,3 0,957 50,5 0,95
Strisciante in carbonio impregnato di rame
Nome Area Tε=1[°C] Trif[°C] termocoppia ε rif T [°C] nastro ε 1 45,88 51,4 0,822 51,68 0,815 2 46,08 51,4 0,828 51,68 0,822 3 45,86 51,4 0,821 51,68 0,814 4 45,43 51,4 0,808 51,68 0,801 5 45,83 51,4 0,821 51,68 0,814 6 45,73 51,4 0,817 51,68 0,811 7 45,93 51,4 0,824 51,68 0,817 8 45,31 51,4 0,836 51,68 0,829 9 45,24 51,4 0,833 51,68 0,826 Media 45,7 - 0,823 - 0,817 10 45,93 51,4 0,824 51,68 0,817 Rif. 50,14 51,4 0,958 51,68 0,95
Le prove a regime Capitolo IV Prova a 65 °C Strisciante in carbonio Nome Area Tε=1[°C] Trif[°C] termocoppia ε rif T [°C] nastro ε 1 51,66 66,7 0,607 65,71 0,624 2 53,24 66,7 0,646 65,71 0,664 3 52,38 66,7 0,625 65,71 0,642 4 53,08 66,7 0,642 65,71 0,66 5 54,48 66,7 0,677 65,71 0,696 6 53,48 66,7 0,652 65,71 0,671 7 53,32 66,7 0,648 65,71 0,666 8 54,71 66,7 0,683 65,71 0,702 9 53,74 66,7 0,659 65,71 0,677 Media 53,34 - 0,649 - 0,667 10 53,32 66,7 0,648 65,71 0,666 Rif. 63,92 66,7 0,924 65,71 0,95
Strisciante in carbonio impregnato di rame
Nome Area Tε=1[°C] Trif[°C] termocoppia ε rif T [°C] nastro ε 1 57,35 66,4 0,797 65,98 0,805 2 58,01 66,4 0,812 65,98 0,82 3 57,83 66,4 0,808 65,98 0,816 4 56,63 66,4 0,782 65,98 0,79 5 57,60 66,4 0,803 65,98 0,811 6 57,74 66,4 0,806 65,98 0,814 7 57,46 66,4 0,800 65,98 0,808 8 58,24 66,4 0,817 65,98 0,825 9 58,29 66,4 0,818 65,98 0,826 Media 57,69 - 0,805 - 0,813 10 57,72 66,4 0,805 65,98 0,813 Rif. 63,81 66,4 0,941 65,98 0,95
Prova a 80°C Strisciante in carbonio Nome Area Tε=1[°C] Trif[°C] termocoppia ε rif T [°C] nastro ε 1 60,85 81,6 0,588 79,7 0,612 2 62,66 81,6 0,621 79,7 0,647 3 61,68 81,6 0,603 79,7 0,628 4 61,66 81,6 0,603 79,7 0,628 5 64,12 81,6 0,649 79,7 0,676 6 62,51 81,6 0,619 79,7 0,644 7 62,04 81,6 0,610 79,7 0,635 8 64,36 81,6 0,653 79,7 0,681 9 62,62 81,6 0,621 79,7 0,646 Media 62,5 - 0,619 - 0,644 10 62,44 81,6 0,617 79,7 0,643 Rif. 77,40 81,6 0,912 79,7 0,95
Strisciante in carbonio impregnato di rame
Nome Area Tε=1[°C] Trif[°C] termocoppia ε rif T [°C] nastro ε 1 68,72 80,5 0,775 79,8 0,786 2 69,67 80,5 0,793 79,8 0,804 3 69,18 80,5 0,784 79,8 0,795 4 67,61 80,5 0,755 79,8 0,766 5 69,20 80,5 0,784 79,8 0,795 6 69,29 80,5 0,786 79,8 0,797 7 69,25 80,5 0,785 79,8 0,796 8 70,36 80,5 0,806 79,8 0,817 9 70,20 80,5 0,803 79,8 0,814 Media 69,26 - 0,785 - 0,797 10 69,25 80,5 0,785 79,8 0,796 Rif. 77,28 80,5 0,924 79,8 0,95
La prova sul transitorio Capitolo IV
Dai dati sopra riportati, è evidente come entrambi gli striscianti presentino emissività decrescente con la temperatura. Anche il nastro isolante che inizialmente era ritenuto ad emissività costante, mostra segni di variazione nella prova a 65 °C; l’emissività del nastro infatti tende a diminuire, inficiando il riferimento di temperatura assegnatoli. Si può notare inoltre dalle prove, come vari l’emissività sulla superficie dei provini; i valori medi ottenuti dalle nove aree sono comunque pressoché coincidenti con i valori ottenuti dall’area inviluppo delle aree suddette.
4.3 La prova sul transitorio
Riscaldate le superfici dei provini fino alla temperatura di circa 90 °C, si attacca un nuovo ritaglio di nastro isolante e si selezionano le aree di riferimento.
Figura 4.5 – I due provini nella prova sul transitorio, con le aree selezionate
Si acquisisce memorizzando un frame ogni secondo, impostando il termine automatico della registrazione dopo novecento frame, corrispondenti perciò a quindici minuti. Prima di avviare la registrazione si disattiva la funzione di autocompensazione della temperatura, la quale potrebbe provocare fastidiosi sfarfallamenti dell’immagine con conseguenti imprecisioni nell’acquisizione dei dati, e si inseriscono i parametri oggetto corretti per l’attuale situazione inquadrata dalla termocamera.
4.4 Conclusioni
Al termine della prova, si carica il file sequenza acquisito per l’elaborazione e si tracciano gli andamenti dei due riferimenti di temperatura in funzione del tempo.
Figura 4.6 – Andamento dei riferimenti di temperatura nel tempo, per lo strisciante in carbonio
Figura 4.7 – Andamento dei riferimenti di temperatura nel tempo, per lo strisciante in carbonio e rame
Conclusioni Capitolo IV
Si tracciano gli andamenti delle emissività funzione della temperatura, calcolate per i due diversi riferimenti, mettendoli a confronto:
Figura 4.8 – Confronto tra gli andamenti delle emissività in funzione della temperatura, calcolate per i due riferimenti, per lo strisciante in carbonio
Figura 4.9 – Confronto tra gli andamenti delle emissività in funzione della temperatura, calcolate per i due riferimenti, per lo strisciante in carbonio e rame
Si nota come i due andamenti delle emissività, calcolati in funzione dei due riferimenti, coincidano con buona approssimazione per valori di temperatura inferiori a 75 °C; dopo tale temperatura le emissività riprendono a crescere per il riferimento preso sul ritaglio di nastro isolante. Questo sta ad indicare che dopo tale limite, anche l’emissività del nastro inizia a variare, decrescendo con la temperatura. Si può notare infatti nelle tabelle riportate per le prove a regime come l’emissività del nastro resti pressoché costante per le prove a 35 °C, 50 °C e 65 °C; tale ipotesi decade per la prova ad 80 °C. Si prende perciò la termocoppia come valore di riferimento per il calcolo dell’emissività.
I dati ottenuti dalle prove vengono riassunti nella seguente tabella1:
Strisciante in carbonio Strisciante in carbonio e rame Temperatura
[°C]
ε(termocoppia) ε(nastro) ε(termocoppia) ε(nastro)
35 0,73 0,69 0,827 0,817 50 0,679 0,674 0,824 0,817 65 0,648 0,666 0,805 0,813 80 0,617 0,643 0,785 0,796 90 0,61 0,645 0,77 0,802 ≅ ε 0,65 (35 °C – 90 °C) ≅ ε 0,8 (35 °C – 90 °C)
1 La tabella è ottenuta dalle prove a regime ed integrata nell’ultima riga dai valori ottenuti dalla prova sul
Conclusioni Capitolo IV
Concludendo si afferma che l’emissività per entrambi gli striscianti presenta andamento decrescente con la temperatura; nelle figure 4.10 e 4.11 viene riportata rper lo strisciante in carbonio e per quello in carbonio impregnato di rame l’emissività in funzione della temperatura segnata dalla termocoppia e il valor medio nel rispettivo intervallo.
≅
ε 0,645 (52 °C – 93 °C)
Figura 4.10 – Emissività in funzione del tempo per lo strisciante in carbonio
≅
ε 0,795 (67 °C – 92 °C)
