5. Apparato sperimentale

(1)

5. Apparato sperimentale

5. Apparato sperimentale

L’apparato sperimentale consiste fondamentalmente di una vasca rettangolare di acciaio inox, che funge da generatore di ultrasuoni. I quattro generatori sul fondo vasca sono collegati ad un trasduttore a potenza variabile. La vasca viene riempita di acqua distillata, la quale è riscaldata per mezzo di una resistenza elettrica fino alla temperatura desiderata. Inoltre una serpentina di raffreddamento in rame, in cui circola acqua fredda proveniente da un refrigeratore esterno, mantiene l’acqua alla temperatura prefissata, durante lo svolgimento di ogni prova. Il cilindro cavo, immerso in acqua distillata, e supportato da un’apposita struttura, è di acciaio inox AISI 304, di diametro esterno 3 mm, interno 2 mm e di lunghezza 192 mm. Detto tubo è riscaldato per effetto Joule da un generatore stabilizzato in tensione di corrente continua. La lunghezza della sezione di prova corrisponde alla distanza di 70 mm tra due sens di rame, saldati sul cilindro, attraverso i quali si misura la caduta di tensione sullo stesso. Tale lunghezza corrisponde alla zona dove la temperatura del cilindro si mantiene assialmente uniforme entro ± 0,3 K. La corrente è ricavata dalla differenza di potenziale attraverso una resistenza campione di 10-3Ω. La temperatura dell’acqua (TH2O) è ricavata tramite una termocoppia di tipo T e la temperatura interna assiale del cilindro con una termocoppia del medesimo tipo scorrevole all’interno della superficie cilindrica. La scelta dell’acqua distillata, e dunque di un liquido, come fluido di lavoro, è dipesa dal fatto che il coefficiente di attenuazione degli ultrasuoni in aria è quattro ordini di grandezza superiore rispetto all’acqua: dunque gli ultrasuoni non influiscono in maniera apprezzabile sulla superficie riscaldata. Inoltre l’acqua è stata adottata anche per una questione di costo, vista l’ampia indagine condotta. In futuro, sarà presa in seria considerazione l’idea di testare le condizioni ottimali in termini di scambio termico, con fluidi fluroinerti, anche in vista di una possibile applicazione pratica degli ultrasuoni nel raffreddamento di componenti elettronici, descritta nel paragrafo 3.7 della presente tesi. Le letture delle varie grandezze sono registrate da un multimetro digitale, connesso a PC, e tramite opportuno software è possibile ottenere in automatico la temperatura media assiale del cilindro alla fine di ogni prova. Nello schema di Fig.5.1 è raffigurato l’insieme delle attrezzature sopra descritte, utilizzato per svolgere la campagna di prove sperimentali.

(2)

Figura 5.1: Schema dell'apparato strumentale.

1) bagno termostatico; 2) vasca ad ultrasuoni; 3) multimetro digitale; 4) computer; 5) resistenza campione; 6) generatore di corrente.

Lo schema a blocchi di Fig.5.2 raffigura ancora i singoli componenti che compongono l’apparato sperimentale, mettendo in evidenza i reciproci collegamenti idraulici e elettrici tra l’uno e l’altro.

Figura 5.2: Schema a blocchi dell'apparato sperimentale.

1

2

3

4 5

(3)

Andiamo ora ad esaminare nel dettaglio i singoli componenti: 1. Riscaldatore cilindrico

2. Generatore di corrente e resistenza campione 3. Resistenza elettrica esterna

4. Vasca ad ultrasuoni 5. Bagno termostatico

6. Sistema di acquisizione dati 7. Videocamera digitale

5.1 Riscaldatore cilindrico

Il riscaldatore utilizzato è un cilindro cavo di acciaio inossidabile AISI 304, di diametro esterno 3 mm ed interno 2 mm; ha una lunghezza complessiva di 192 mm ed è tenuto in posizione dentro la vasca da un apposito supporto in alluminio, in maniera che il piano orizzontale passante per il suo asse sia parallelo al fondo della vasca ed il piano verticale, sempre passante per l’asse del cilindro, sia parallelo alla parete frontale e posteriore della vasca stessa, e perpendicolare ed equidistante dalle due restanti pareti laterali (Fig. 5.3). Il supporto permette la regolazione della distanza tra l’asse del cilindro ed il fondo vasca, parametro H, e tra l’asse del cilindro e la parete laterale ad esso più vicina (cioè quella frontale), parametro L (Fig.5.4 a) e b)). Il supporto comprende due cilindri in rame posti in posizione verticale, cui è direttamente saldato il cilindro, e per mezzo dei quali il cilindro stesso è connesso al resto del circuito elettrico che servirà a scaldarlo per effetto Joule. Sul cilindro inoltre sono saldati due sens, in posizione equidistante dalla sezione centrale e ad una distanza reciproca di 70 mm, che corrisponde alla lunghezza della sezione di prova. I sens sono collegati ai capi di un multimetro che, fungendo da voltmetro, ne valuta la differenza di potenziale. All'interno del cilindro, in posizione pressoché centrale, è invece posizionata una termocoppia di tipo T, isolata elettricamente tramite l'inserimento di appositi isolanti in ceramica, che permette di rilevare la temperatura assiale interna del riscaldatore. Il cilindro è sigillato alle estremità per mezzo di saldature, in maniera da evitare la penetrazione di acqua all'interno (Fig.5.5).

(4)

Figura 5.3: Foto del riscaldatore cilindrico (in vista vi sono i due sens saldati sul cilindro e la termocoppia posta al suo interno)

H _L

(a) (b)

Fig.5.4:(a) Sezione verticale della vasca e del cilindro; (b) Sezione orizzontale della vasca e del cilindro

(5)

Figura 5.5: Sezione del cilindro con particolare della termocoppia al suo interno, posta in posizione centrale, e i due sens saldati ad una distanza reciproca di 70 mm

Riportiamo inoltre in Tabella 5.1 le proprietà del materiale del riscaldatore (AISI 304):

Tabella 5.1

Proprietà acciaio AISI 304 del riscaldatore cilindrico

Proprietà fisiche Densità [kg/mm3] 8·10-6 Modulo di elasticità [kg/mm2] 19,700 Conducibilità termica [W/m °C] (a 100°C) 16,3 Conducibilità termica [W/m °C] (a 500°C) 21,8 Caratteristiche meccaniche

Limite snervamento (deformazione permanente 0,2%) [kg/mm2] 21/25

Allungamento % ASTM 50/60

Strizione % 65/70

Resilienza – IZOD [kg/mm2] 0,152

(6)

5.2. Generatore di corrente e resistenza campione

La corrente elettrica passante nel cilindro è fornita da un generatore di corrente continua stabilizzato (Fig. 5.6) capace di erogare fino a 450 A (modello EUTRON BVR 12000). Tale alimentatore permette la regolazione sia in tensione sia in corrente. Per contenere la dissipazione termica, è dotato di un circuito di preregolazione della tensione di alimentazione; il circuito di raddrizzamento e livellamento è seguito da un circuito di regolazione e stabilizzazione di tipo seriale. Si ha il funzionamento come generatore ideale di tensione, quando programmata una tensione di uscita V, l’assorbimento di corrente da parte del carico è inferiore alla corrente di limitazione i (programmata con la manopola CURRENT). Al contrario, si ha il funzionamento come generatore ideale di corrente, quando, programmate una tensione a vuoto V0 ed una corrente di uscita i, la resistenza di carico R è inferiore al rapporto V0/i; pertanto nel caso in cui R=0 (caso di cortocircuito), la corrente non risulterà infinita, ma sarà pari a quella impostata con la manopola CURRENT. In generale, la programmazione della tensione e della corrente di uscita avviene con potenziometri di precisione a dieci giri, asserviti da manopola centesimale con bloccaggio meccanico. La lettura della tensione e della corrente è visualizzata rispettivamente su voltmetro ed amperometro digitali. Questi apparecchi sono dotati di remote sensing +S e – S, pertanto se tali morsetti si collegano al carico, si ottiene la compensazione automatica della caduta di tensione che si verifica sui cavi di collegamento tra morsetti di uscita e carico. La Fig.5.7 riporta la scheda tecnica del generatore:

(7)

Figura 5.6: Generatore di corrente continua

Figura 5.7: Scheda tecnica del generatore

In particolare, durante questo studio sono state utilizzate intensità di corrente diverse per i vari di regimi di scambio termico investigati:

- in convezione naturale monofase la corrente è stata variata tra 31 e 80 A, valori corrispondenti ad un flusso specifico, q”, compreso tra 2·104 e 1,4·105 W/m2;

(8)

- in ebollizione sottoraffreddata la corrente è stata variata tra 74 e 120 A, valori corrispondenti ad un flusso specifico, q”, compreso tra 1,2·105 e 3,2·105 W/m2; - in ebollizione nucleata la corrente è stata variata tra 6 e 231 A, valori corrispondenti

ad un flusso specifico, q”, compreso tra 1·103 e 1,3·106 W/m2 .

Per ottenere una valutazione precisa dell'intensità di corrente ci siamo serviti di un amperometro (specificamente un voltmetro in parallelo ad una resistenza da 10-3_Ω) rappresentata in Fig. 5.8. In Fig. 5.9 è riportato lo schema elettrico elementare dell'apparato.

Figura 5.8: Resistenza campione

Fig. 5.9: Schema del circuito elettrico:

G) Generatore; V) Voltmetro (funzione svolta dal multimetro); RC) Resistenza del cilindro;

RT) Resistenza campione da 0,001 Ω.

5.3. Resistenza elettrica esterna

Per riscaldare il liquido di lavoro più velocemente possibile fino alla saturazione si è fatto uso di una resistenza elettrica ausiliaria, estraibile dalla vasca e comandabile tramite un semplice interruttore (Fig. 5.10).

(9)

Fig.5.10:Resistenza elettrica esterna

5.4. Vasca ad ultrasuoni

La vasca ad ultrasuoni utilizzata (modello MU-12L, Novatec), mostrata nella Fig. 5.11, ha base rettangolare ed è costruita in acciaio inossidabile AISI 304: le sue dimensioni di ingombro sono 325 x 400 x 265 mm, mentre la sezione interna ha dimensioni 300 x 230 x 200 mm ed un volume a disposizione per accogliere il liquido di 12 litri. Questa vasca è stata progettata per applicazioni nel campo del lavaggio industriale: infatti in tale campo di impiego vengono utilizzati preferibilmente i trasduttori di tipo piezoelettrico in quanto è possibile progettarli con frequenze molto più elevate (fino a 42 kHz) rispetto a quelli di tipo magnetostrittivo, il cui massimo è intorno ai 22 kHz. Il trasduttore piezoelettrico all’interno della vasca, costituto da titanato di bario, è alimentato da un generatore di alta frequenza. Il generatore trasforma l'alimentazione a 220 V e 50Hz della rete in una forma d'onda a 40 kHz. La vasca dispone di un rubinetto per lo scarico dell’acqua e di un pannello a pulsanti (Fig. 5.12) che permette di compiere le regolazioni di diversi parametri, tra i quali, di nostro interesse, sono la potenza degli ultrasuoni, variabile tra 300 e 500 W e la durata dell'emissione delle onde (fissata a 3 minuti per ogni prova). L'acqua utilizzata per le prove deve essere distillata, ed inoltre è necessario praticarle preventivamente un'operazione di degasaggio per mezzo di una specifica funzione della vasca medesima. Tale operazione consiste nell’emissione di onde ultrasoniche in modo intermittente. In questo modo parte del gas disciolto nel liquido viene rimosso. Tale operazione permette di bypassare le condizioni di cavitazione detta “globale” e di operare in condizioni cosiddette di cavitazione “locale” [64]. In questo modo si minimizza l’effetto transitorio dovuto alla

(10)

prima situazione, consentendo di trattare il fenomeno come mediamente stazionario. Il degasaggio è stato in questa campagna sperimentale effettuato all’inizio di ogni serie di prove, ed in particolare nel momento di rinnovo del liquido di lavoro e dopo lunghi periodi di inattività. La temperatura dell'acqua nella vasca è rilevata con una termocoppia di tipo T (rame-constantana), mantenuta in posizione ravvicinata al cilindro (circa 10 mm) e collegata al multimetro digitale.

Fig.5.11: Vasca ad ultrasuoni

Fig.5.12: Pannello di configurazione della vasca ad ultrasuoni

In Fig.5.13 è riportata la scheda tecnica della vasca ad ultrasuoni e la Fig.5.14 rappresenta la sezione trasversale della vasca ad ultrasuoni, con ivi immerso il riscaldatore. Sono inoltre visibili sul fondo la serpentina, per mantenere l’acqua termostatata, i collegamenti

(11)

Capacita’ vasca 12 litri

Dimensione di ingombro (LxHxP) 325 x 400 x 265 mm Dimensione vasca (LxHxP) 300 x 200 x 230 mm Riscaldamento regolabile SI 0-75°C

Timer regolabile SI 1-99 min

Potenza elettrica di riscaldamento 600W Potenza ultrasuoni (eff./picco) 300/500W

Frequenza ultrasuoni 40 kHz

Potenza elettrica totale 900 W

Tensione di alimentazione 220 V (± 10%) 50/60 Hz

Figura 5.14: Sezione della vasca ad ultrasuoni, con ivi immerso il cilindro: 1) tubi di collegamento tra la serpentina termostatante ed il bagno termostatico; 2) serpentina termostatante; 3) termocoppia per la temperatura dell'acqua (collegata al

multimetro); 4) termocoppia per la temperatura interna del cilindro (collegata al multimetro); 5) sens ai capi della sezione prova (collegati al multimetro); 6) cilindro.

2 3 4 6 5 1

(12)

5.5. Bagno termostatico

Per mantenere costante la temperatura dell’acqua al valore desiderato, ci si serve di una serpentina in rame, appositamente dimensionata e costruita, mostrata in Fig. 5.15, in cui fluisce acqua distillata proveniente da un bagno termostatico esterno (Fig.5.16).

Il bagno termostatico, ad alimentazione elettrica, fungendo da scambiatore acqua-acqua permette la regolazione della temperatura dell'acqua sia sottraendo che fornendole flusso termico.

Fig.5.15: Serpentina di raffreddamento in rame, collegata a bagno termostatico esterno

(13)

5.6. Sistema di acquisizione dati

I quattro parametri fondamentali che abbiamo dovuto acquisire nel corso delle prove sperimentali illustrate in questa tesi sono:

• temperatura del cilindro: è acquisita direttamente dalla termocoppia inserita all'interno del cilindro, ed è la variabile più importante per lo studio in esame; si noti che la temperatura rilevata è quella della parete interna, quindi sarà necessaria una correzione tramite l'equazione di Fourier;

• temperatura dell'acqua: è acquisita direttamente dalla termocoppia mantenuta in posizione in prossimità del cilindro ad una distanza da esso di circa 10 mm per mezzo dello stesso supporto del cilindro;

• differenza di potenziale ai capi della sezione di cilindro considerata: è acquisita direttamente per mezzo dei sens saldati sul cilindro descritti precedentemente;

• intensità di corrente nel circuito elettrico: è calcolata rilevando la differenza di potenziale ai capi della resistenza campione da 10 -3_{Ω (molto piccola rispetto a quella del} voltmetro stesso) in maniera che il suo valore in milliVolt equivalga ai corrispondenti Ampere grazie alla legge di Ohm (i =∆V/R).

I segnali analogici provenienti da questi 4 sensori sono elaborati da un multimetro Keithley mod. 2007 (Fig. 5.17) che a sua volta li trasmette in forma digitale, tramite un cavo parallelo ed una scheda di acquisizione, a PC: questo li elabora per mezzo di un software specifico (Keithley XLINK Startup Software) che li memorizza temporaneamente in un file di log, il quale viene infine importato, dopo ogni prova, in un database gestito da Microsoft Excel, che provvede anche a fornire automaticamente una prima elaborazione in tempo reale dei dati acquisiti di prova in prova.

(14)

Una schermata del software Keithley è visibile in Fig.5.18. In particolare si nota l’associazione dei quattro parametri a quattro canali di lettura differenti. La schermata qui riportata visualizza l’andamento della temperatura del cilindro (in azzurro) e di quella dell’acqua (in giallo).

Fig.5.18: Schermata del software di acquisizione e visualizzazione grandezze misurate

5.7. Videocamera digitale

Per effettuare foto e riprese nel corso delle prove si è fatto uso di una videocamera digitale Canon modello XM2 (Fig.5.19). Tale modello è dotato di sistema a 3CCD con tecnologia Pixel Shift (spostamento Pixel) ed include uno zoom ottico a 20x di fluorite della serie L professionale.

(15)

Fig.5.19: Videocamera digitale

A conclusione di questo capitolo riportiamo il complessivo dell’apparecchiatura (Fig.5.20) ed una foto della vasca ad ultrasuoni con la struttura di supporto del riscaldatore (Fig.5.21).

Fig.5.20: Complessivo dell’apparato sperimentale: 1) vasca da ultrasuoni; 2) generatore di corrente; 3) multimetro digitale; 4) resistenza campione.

(16)

(17)