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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