4. Prove sperimentali

4.1.

Indagini preliminari

Il primo studio condotto sul condensatore standard, installato sul congelatore di prova, è stato quello di determinare l’andamento delle temperature lungo tutta la serpentina a partire dall’uscita dal compressore sino ad arrivare all’ingresso nel capillare.

Per tale scopo è stata utilizzata (oltre alle termocoppie di tipo T in dotazione) una telecamera a raggi infrarossi AVIO Neo Thermo serie TVS-600.

Dai rilevamenti effettuati in condizioni di regime è stato possibile avere l’immagine globale delle temperature sul condensatore come mostrato in Fig. 4. 1.

Fig. 4. 1 Immagine termografica in condizione di regime e di temperatura ambiente di 22°C

Poiché la temperatura della parete esterna del tubo Tt,o differisce da quella del fluido

refrigerante Tref di circa -0,5°C, dai rilevamenti termografici sulla serpentina è possibile

determinare l’andamento delle temperature del fluido lungo il condensatore. Infatti dalla Fig. 4. 1 si distinguono bene due delle tre regioni nelle quali viene ad essere suddiviso il condensatore: la zona del fluido surriscaldato e quella relativa alla condensazione.

Questi risultati sono stati in seguito verificati da alcune misurazioni di temperature mediante termocoppie a francobollo, opportunamente dislocate lungo il condotto consentendo la localizzazione del punto di inizio e fine condensazione.

Da questo studio preliminare è emerso che il fluido esce dal compressore percorrendo un primo tratto di tubo (non alettato) in condizioni di vapore surriscaldato per poi proseguire lungo quasi tutta la serpentina, caratterizzata da una temperatura costante, in condizioni di cambiamento di stato. Nella parte terminale della serpentina si nota, con qualche difficoltà, il piccolo tratto che interessa il sottoraffreddamento del fluido refrigerante. Con le immagini di Fig. 4. 2 si è cercato di distinguere meglio dette zone restringendo progressivamente l’intervallo di temperatura, innalzando il suo limite inferiore da valori prossimi alla temperatura di uscita dal condensatore (ingresso capillare) a valori poco inferiori e poco superiori alla temperatura di saturazione.

a) b) c)

Fig. 4. 2 Immagine termograficadella regione: a) globale; b) con esclusione della zona di sottoraffreddamento c) con esclusione anche della zona di condensazione.

Come si può constatare dell’intera serpentina, avente lunghezza pari a 5780 mm, la zona ove il fluido risulta surriscaldato copre una lunghezza di circa 830 mm, a partire dalla mandata del compressore. In termini percentuale la regione di condensazione interessa quindi l’86% dell’intero condensatore mentre il restante 14% quella del desurriscaldamento.

In base a quanto determinato si è ritenuto opportuno concentrare l’attenzione sulla regione di condensazione essendo questa preponderante rispetto alle altre.

4.1.1. Lo scambio termico al condensatore

Il trasferimento del calore dal fluido all’ambiente esterno avviene secondo vari processi, il primo per convezione tra il fluido refrigerante e la parete interna del tubo costituente il condensatore, il secondo per conduzione attraverso lo spessore della parete del tubo ed infine per convezione ed irraggiamento dalla superficie esterna del tubo verso l’aria ambiente. Trattandosi di uno scambio termico nel quale avvengono simultaneamente le varie modalità di trasmissione del calore conviene applicare il concetto di resistenza termica che si deduce dall’analogia che sussiste tra il flusso termico ed il flusso elettrico. Facendo riferimento al circuito termico, rappresentato in Fig. 4. 3, relativo al flusso di termico scambiato al condensatore, si definiscono:

¾ A h R i i 1

= resistenza termica al flusso termico convettivo interno tra fluido e parete interna del tubo, dove h è il valor medio del coefficiente _i

convettivo interno (W/m2K) ed A l’area della superficie di scambio (m2);

¾

(

)

= resistenza termica al flusso termico conduttivo attraverso la parete del tubo, dove ro ed ri sono il raggio esterno ed interno del tubo

avente lunghezza l e k la conducibilità termica del materiale(W/mK); ¾ A h R o o ' ' 1

= resistenza termica al flusso termico convettivo esterno tra la parete esterna del tubo e l’aria, dove h è il valor medio del coefficiente _o'

convettivo esterno (W/m2K);

¾ R _o'' resistenza termica al flusso termico per irraggiamento.

Come per i sistemi elettrici si può determinare la resistenza termica totale equivalente Rtot (K/W) del circuito termico in Fig. 4. 3 come

' '' 1 1 1 tot i t o i t o o R R R R R R UA R R ⎛ ⎞ = = + + = + +_⎜ + _⎟ ⎝ ⎠

e quindi scrivere l’equazione del flusso termico in termini di resistenza termica totale anziché di coefficiente di globale di scambio termico U.

( _ref ) tot T q UA T T R ∞ Δ = = − &

dove con ΔT si indica la differenza di temperatura tra il fluido refrigerante Tref e l’aria

ambiente T∞, (Tt,o e Tt,i indicate in figura rappresentano la temperatura esterna ed interna

del tubo).

Fig. 4. 3 Circuito termico relativo al flusso termico scambiato tra il fluido refrigerante che evolve nel condensatore e l’ambiente esterno.

Dette resistenze termiche variano in funzione dello stato termodinamico del fluido refrigerante e quindi dalla regione del condensatore che si vuole studiare.

Poiché come dimostrato la zona di condensazione è preponderante sulle altre, vengono focalizzati gli studi su quest’ultima regione la quale risulta così caratterizzata:

¾ resistenza termica per irraggiamento costante; ¾ resistenza termica di conduzione trascurabile;

¾ resistenza termica di convezione interna trascurabile; rispetto la resistenza di convezione esterna.

4.1.2. Caratteristiche del flusso termico convettivo esterno

Trattando lo scambio convettivo esterno che avviene nella regione di condensazione sono state effettuate misurazioni di temperature con termocoppie e rilevamenti

termografici al fine di poter approntare uno studio sulla riduzione della resistenza convettiva esterna.

Fig. 4. 4 Porzione di condensatore a fili.

Tref = temperatura del fluido refrigerante

Tw = temperatura del filo

Tt,o = Temperatura della parete esterna del tubo

T∞= temperatura ambiente

Ricordando che il flusso termico convettivo esterno è espresso come:

(

)

(

)

o

c h T T S S

q& = _{' ,} − _∞ +η

dove con ηw si indica l’efficienza dell’aletta o dei fili così espressa:

(

)

(

)

si è determinato che tale efficienza risulta bassa ossia che la temperatura dei fili risulta essere particolarmente differente da quella dei tubi costituenti la serpentina.

Infatti misurazioni lungo il filo compreso tra due tubi orizzontali contigui (quindi per una lunghezza pari al passo tubo pt= 50mm) dimostrano come, a partire dal punto di

contatto con il tubo, la temperatura Tw, inizialmente uguale a quella del tubo, tenda a

diminuire man mano che ci si allontana dai tubi stessi sino a differire da Tt,o di circa 4°C in

corrispondenza delle metà del passo tubo.

Una rappresentazione di quanto detto si ha nella Fig. 4. 5, dove si evidenzia l’andamento della temperatura del filo lungo un passo tubo. Tale andamento è relativo ad un rilevamento termografico effettuato con una lente “macro”.

Fig. 4. 5 Andamento della temperatura Tw del filo tra due tubi della serpentina contigui, rilevata

mediante telecamera a raggi infrarossi con una lente macro.

Poiché dette misurazioni sono state effettuate ad una temperatura ambiente di circa 22°C il valore dell’efficienza dell’aletta a cui si perviene è ηw = 0,81.

4.2.

Studi sperimentali

Come detto precedentemente il flusso termico convettivo esterno risulta essere penalizzato da una bassa efficienza dei fili. Questi infatti, comportandosi come una sorta di alette, aumentano la superficie di scambio termico della serpentina favorendo la dispersione del calore verso l’ambiente tanto più quanto più la temperatura dei fili è prossima a quella dei tubi.

Allo scopo di aumentare lo scambio termico convettivo esterno, a parità di geometria del condensatore, si è cercato di aumentare la Tw e quindi ηw impiegando un materiale più

conduttivo che potesse sostituire l’acciaio degli attuali fili, come ad esempio l’alluminio o il rame.

4.3.

Confronto tra un filo in rame e quello standard

Per valutare sperimentalmente l’effetto della conducibilità del materiale costituente il filo sull’efficienza dell’aletta è stato esaminato un filo in rame delle stesse dimensioni di quelli in acciaio standard.

Pertanto è stato saldato un filo in rame sul condensatore standard e successivamente verniciato in nero opaco come i fili in acciaio adiacenti allo stesso (Fig. 4. 6). Poiché i rilevamenti a raggi infrarossi risultano notevolmente influenzati dall’emissività dei corpi che si analizzano, la verniciatura in nero opaco diviene un’ operazione necessaria per uguagliare la emissività del filo in rame a quella dei fili in acciaio nelle strette vicinanze.

Fig. 4. 6

Fotografia del condensatore standard con il filo in rame saldato

Analizzando mediante telecamera a raggi infrarossi con una lente macro una porzione del condensatore si ottiene la seguente immagine.

Come si può notare il filo in rame risulta avere una temperatura circa uniforme e sostanzialmente uguale a quella del tubo a cui è saldato.

Infatti la distribuzione delle temperature rilevate lungo il filo stesso risulta la seguente.

Fig. 4. 8 Andamento della temperatura Tw del filo in rame tra due tubi della serpentina contigui,

rilevata mediante telecamera a raggi infrarossi con una lente macro.

Da notare un netto calo delle temperature nei primi 10 mm di filo a causa di un rilevamento falsato della temperatura dovuta ad una irregolarità della superficie emittente originatasi in seguito alla saldatura.

Seppur penalizzati dal calo di temperatura iniziale, che incide notevolmente sulla temperatura media del filo, si determina sul filo in rame un’efficienza dell’aletta di 0,93, e quindi un incremento di ηw di circa il 18% rispetto al caso standard.