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trasmissione del calore no del Dipartimento di Energetica dell’Università di Pi sa, il cui scopo principale è quello di ottenere una drastica riduzione di scala degli apparati a PTPT finora studiati, per poi valutarne comportamento termico e potenzialità di raffreddamento quando applicati a componenti miniaturizzati [11], [12], [13]. Lo scopo della presente indagine sperimentale è quello di caratterizzare il funzionamento di un prototipo di PTPT di ridotte dimensioni che utilizza FC72 come fluido di lavoro, al variare dei principali parametri ope rativi e valutare la sua attitudine ad essere im - piegato nel controllo termico di apparati di piccola scala. L’articolo si divide in due parti. Nella prima viene illustrato il prototipo studiato, l’attività sperimentale svolta e la caratterizzazione teo-rica delle prestazioni termiche aspettate. Nella seconda par te invece, vengono presentati i risultati di tale attività sperimentale e le prestazioni termiche rilevate del dispositivo, con riferimento ad un possibile impiego nel settore del raffreddamento della componentistica elettronica. FIGURA 1 - Genealogia dei principali circuiti bifase impiegati come sistemi di controllo termico Descrizione dell’apparato sperimentale L’apparato completo, oggetto dell’analisi sperimentale è schematizzato in Figura 2. Esso risulta composto dal prototipo PTPT di piccole dimensioni e da tutta la strumentazione necessaria alla conduzione delle prove ed dei rilievi sperimentali. Le scelte progettuali relative alla struttura realizzata sono state tutte guidate dall’esigenza di avere caratteristiche tecniche utili per l’impiego del PTPT come dispositivo di controllo termico per apparati elettronici di piccola scala. Il prototipo realizzato opera in controgravità con le modalità classificabili tra le macchine dette “ad annullamento del salto di pressione” [10], la fase di ritorno del fluido refrigerante avviene dunque per annullamento del salto di pressione tra evaporatore ed accumulatore, ottenuto mettendo in comunicazione i due serbatoi attraverso l’apertura delle due elettrovalvole H (figura 2). È opportuno notare che, una volta annullato il salto di pressione, la spinta che movimenta il liquido viene generata dall’accelerazione gravitazionale, per effetto delle differenti quote dei due serbatoi. Dunque, in assenza di tale campo di forza, per ottenere il ritorno del condensato in un PTPT così configurato, sarebbe necessario sostituire l’azione della forza peso con una differente forza (ad esempio una forza di tipo capillare ottenuta inserendo una matrice porosa nella linea del ritorno del liquido). L’ingombro del prototipo realizzato è tale da poter essere inserito all’interno di un case middle tower (dimensioni 340x180x320 mm) di un comune personal computer. L’evapora - tore è costituito da un serbatoio di alluminio AISI 316S, di forma assialsimmetrica e con un volume di circa 0.25 l. Il componente da raffreddare viene simulato da una termoresistenza, disposta su di un piano orizzontale e posta a contatto con la parte inferiore dell’evaporatore, Figura 2. La parte inferiore dell’evaporatore, che separa fisicamente la termoresistenza dal fluido vettore, è realizzata con una massa di rame (definita nel lavoro come dissipatore). La scelta del rame è stata fatta grazie alla sua elevata conducibilità termica, visto che deve trasferire il calore dalla termoresistenza al fluido. Il condensatore è il componente nel quale, se correttamente dimensionato, viene dissipata la quasi totalità della potenza termica fornita dalla termoresistenza al fluido vettore. Esso può essere posizionato indifferentemente a quote superiori o inferiori all’evaporatore. Il condensatore è costituito da un parallelepipedo in alluminio le cui dimensioni risultano 80x70x40 (WxLxH) mm e possiede una superficie alettata attraverso la quale fluisce un flusso d’aria movimentato da un ventilatore. Sul lato opposto del parallelepipedo, rispetto alla superficie alettata, è stata invece ricavata una serpentina a sezione quadrata 4x4 mm, attraverso la quale fluisce il fluido vettore. La lunghezza complessiva della serpentina è di circa 500 mm. Grazie all’utilizzo di una superficie in policarbonato Lexan, che sigilla la serpentina, è possibile osservare il tipo di moto all’interno del condensatore. Il terzo organo che costituisce La Termotecnica • Aprile 2009 67
trasmissione del calore FIGURA 2 - Schema complessivo dell’apparato sperimentale il termosifone è l’ accumulatore. Esso è posto ad una quota superiore all’evaporatore, in modo tale da consentire il ritorno del condensato accumulato. Questo serbatoio è realizzato in alluminio AISI 316S con volume di circa 0,08 l. Esternamente all’accumulatore è posizionato un indicatore di livello a colonna graduato, direttamente connesso, che ne rivela costantemente il livello di riempimento. Nella parte superiore dell’accumulatore sono alloggiati i dispositivi per consentire il collegamento con condensatore ed evaporatore. Sempre sulla parte superiore del serbatoio, utilizzando lo stesso foro di uscita del collegamento con evaporatore, è posizionato un rubinetto utilizzato per il riempimento dell’apparato sperimentale e per l’evacuazione dei gas incondensabili. Sulla parte inferiore del serbatoio è invece presente il dispositivo per collegare la linea di ritorno del condensato. L’accumulatore non è termicamente isolato rispetto all’ambiente esterno, quindi non ha funzione di semplice accumulo ma di fatto può operare come terzo elemento di scambio. Il sistema di alimentazione di potenza è rappresentato schematicamente in Figura 2, la tensione alternata, prelevata dalla rete elettrica a 220 V, viene utilizzata per alimentare tre dispositivi: una pompa a vuoto e due alimentatori di tensione continua. La pompa a vuoto è collegata al prototipo di PTPT come indicato nella Figura 2. Essa viene impiegata esclusivamente durante la fase di preparazione alla prova, per rimuovere i gas incondensabili presenti all’interno del PTPT. L’alimentatore di tensione continua stabilizzata è il modello Agilent 6575A, che è in grado di fornire tensione continua nell’intervallo 0÷120 V con un limite sulla massima corrente erogabile di 18 A. L’alimentatore ha un voltmetro ed un amperometro integrati che consentono la visualizzazione in tempo reale della tensione e della corrente erogate. Esso può inoltre essere programmato controllando i valori della tensione continua con accuratezza di ±4 mV e quelli della corrente con accuratezza di ±1 mA. L’alimentatore in questione fornisce la potenza elettrica alla termoresistenza, la quale, per effetto Joule, genera calore simulando la presenza di un componente elettronico. La termoresistenza utilizzata è il modello MICA HM6807. Essa ha forma circolare di diametro pari a 38 mm, dissipa calore sulla sua superficie superiore, mentre sulla superficie inferiore è dotata di uno strato di materiale termicamente isolante. La sua resistenza elettrica nominale è di 3,9 Ω. Con la configurazione scelta è possibile dissipare flussi termici variabili nell’intervallo 0-60 W/cm 2 , con temperatura massima di esercizio pari a 225 °C. Il secondo alimentatore, eroga una tensione continua a 12 V. Esso possiede due linee in uscita, una delle quali continuamente alimentata ed utilizzata per fornire la potenza elettrica necessaria al funzionamento dei trasduttori di pressione. L’altra linea in uscita serve invece per fornire la potenza utile all’apertura delle elettrovalvole. L’alimentazione di questa linea è dunque intermittente e può essere regolata manualmente, attraverso un interruttore, oppure automaticamente, grazie alla presenza di un timer digitale. Il timer può essere programmato al fine di stabilire gli intervalli di tempo di alimentazione o meno della suddetta linea. Le principali misure effettuate durante l’attività sperimentale sono misure di temperatura e pressione. La pressione all’interno dell’evaporatore e del serbatoio di accumulo vengono misurate attraverso l’impiego di traduttori di pressione. I trasduttori sono del tipo a sensore piezoresistivo al silicio, della ditta Druck. Il sensore è integrato in un corpo in acciaio inox con saldature laser ed è isolato dal mezzo di misura da una membrana in Hastelloy. L’intervallo di temperatura operativo, per questo strumento, va da -40 a +100 °C, il segnale di uscita è in corrente continua variabile tra 4 e 20 mA. L’intensità di tale corrente è direttamente proporzionale alla pressione assoluta. Il tempo di risposta alle variazioni di pressione è di circa 1 ms. L’intervallo di pressioni misurate va da -1 a +2,5 bar relativi. La sua accuratezza è pari allo 0.25% del valore di fondo scala. Una serie di 5 termocoppie viene utilizzata per misurare le temperature nei punti specificati nella Figura 2. Le termocoppie impiegate sono di tipo T (ramecostantana) del diametro di 0,5 mm rivestite con acciaio. In particolare le termocoppie misurano le seguenti temperature: - temperatura della massa in rame 1.5 mm al di sotto della superficie di scambio con il fluido vettore (termocoppia T1); - temperatura del fluido vettore, fase liquida, all’interno dell’evapo ratore (termocoppia T2); - temperatura del fluido vettore, fase aeriforme, all’interno dell’evapo - ratore (termocoppia T3); - temperatura del fluido vettore, fase liquida, all’interno dell’accu - mulatore (termocoppia T4); - tempera tura del fluido vettore, fase aeriforme, all’interno dell’accu - mulatore (termocoppia T5). Una ulteriore termocoppia, di caratteristiche analoghe alle precedenti, viene impiegata per misurare la temperatura dell’ambiente di prova. I dati rilevati dai trasduttori di pressione e dalle termocoppie vengono inviati ad una scheda di acquisizione programmabile la AGILENT modello 34997 OA, che possiede una frequenza di acquisizione massima di 3 Hz. La scheda di acquisizione opera automaticamente la compensazione del giunto freddo delle termocoppie. L’accuratezza complessiva (sonda più algoritmo di conversione da tensione a temperatura) con cui vengono effettuati i rilievi di temperatura è pari a ±0,5 °C. La frequenza di acquisizione impostata durante l’attività sperimentale, sia per i rilievi di pressione che per quelli di temperatura, è pari a 1/3 Hz. Infine un indicatore di livello viene utilizzato per monitorare il volume di liquido presente all’interno dell’accumulatore. L’indicatore di livello è collegato direttamente al serbatoio e possiede una scala graduata con intervallo di graduazione pari a 1 mm. Analisi del ciclo di trasferimento Per effettuare l’indagine sperimentale è stata definita una configurazione di riferimento del prototipo di PTPT. La configurazione assunta come riferimento prevede: - un dislivello percorso dal fluido in controgravità H tot pari a 0,5 m; - un dislivello tra l’ingresso del condensatore ed il piano orizzontale della superficie dissipante H C pari a -0,2 m (il segno negativo indica che il condensatore è situato più in basso rispetto alla superficie dissipante dell’evaporatore); - un coefficiente di riempimento iniziale Ø dell’apparato pari al 15% (il volume interno complessivo dell’apparato risulta circa 344 ml); 68 La Termotecnica • Aprile 2009
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