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trasmissione del calore
- un volume di liquido V T presente all’interno dell’evaporatore, e quindi
trasferito all’accumulatore durante il ciclo, pari a 25 ml (misurato
a temperatura ambiente).
A partire da questa configurazione, sono state effettuate una serie di
prove volte a caratterizzare il comportamento del prototipo in 35 differenti
condizioni operative. Esse saranno descritte in dettaglio nella
seconda parte di questo lavoro.
Le condizioni operative si differenziano per il valore della potenza termica
dissipata Q’ E oppure per la variazione, rispetto alla configurazione
di riferimento, di uno dei seguenti parametri:
- differenza di quota tra la superficie dissipante e l’ingresso del condensatore
H C ;
- volume del liquido trasferito dall’evaporatore all’accumulatore per
ogni ciclo V T .
Per tutti i test effettuati e descritti in questo lavoro, il prototipo di PTPT è
stato in grado di raggiungere il funzionamento a regime stabilizzato,
operando anche con quantità di fluido circolante molto esigue (V T =3 ml).
Il ciclo periodico tipico, una volta raggiunto il regime stabilizzato, è rappresentato
nella figura 3, dove le temperature riportate sono quelle sperimentalmente
misurate dalle 5 termocoppie inserite nell’apparato.
L’analisi degli andamenti delle temperature, ottenute per il ciclo a regime
stabilizzato, evidenzia forti analogie qualitative rispetto agli stessi
andamenti ricavati per PTPT di grande scala [14]. All’interno di ogni singolo
ciclo è possibile riconoscere un intervallo di tempo caratterizzato da
graduali variazioni dei parametri operativi (intervallo di tempo indicato
nella Figura 3 con il numero 2) ed un intervallo nel quale le variazioni
dei parametri sono brusche (intervalli indicati con i numeri 1 e 3). La durata
degli intervalli di tempo con brusche variazioni dei parametri operativi
risulta contenuta tra 0,01 τ c e 0,35 τ c per tutte le prove effettuate, dove
τ c rappresenta la durata complessiva del ciclo a regime stabilizzato. Il
ciclo periodico comincia con la chiusura delle elettrovalvole, una volta
svuotato l’accumulatore. Il flusso termico fornito all’evaporatore produce
il passaggio di stato del fluido vettore, che subisce una compressione
assimilabile ad una trasformazione isovolumica (intervallo di tempo
numero 1, Figura 3). Questa fase operativa viene definita fase di compressione.
La fase di compressione termina quando il vapore a monte del
condensatore raggiunge la pressione data dall’equazione (1)
P E = P A + ρ l·g·H tot + ∆P E→A (1)
FIGURA 3 - Andamenti delle temperature durante
il ciclo periodico a regime stabilizzato di un PTPT
dove P E rappresenta la pressione di saturazione relativa alla temperatura
dell’evaporatore T E , in questo lavoro ricavata come media aritmetica
dei valori misurati dalle termocoppie T 2 e T 3 ; P A rappresenta la pressione
di saturazione relativa alla temperatura dell’accumulatore T A
(media aritmetica dei valori misurati dalle termocoppie T 4 e T 5 ); P E A
rappresenta le perdite di carico legate al moto del fluido, che in controgravità
viene spinto verso l’accumulatore.
Quando la condizione espressa dall’equazione (1) viene raggiunta, la
pressione P E è sufficiente a spingere il liquido nell’accumulatore, l’eva -
poratore viene gradualmente svuotato e l’accumulatore riempito. Questa
fase operativa (intervallo di tempo numero 2, Figura 3), nella quale avviene
il vero e proprio trasferimento di fluido, termina con il completo svuotamento
dell’evaporatore ed è definita come fase di trasferimento. Una
volta che l’evaporatore sia completamente svuotato, si osserva un brusco
aumento della temperatura della superficie del dissipatore a contatto con
il fluido, sperimentalmente misurata attraverso la termocoppia T 1 , e contemporaneamente
una diminuzione della temperatura T E . Le elettrovalvole
vengono dunque aperte, la pressione nell’accumu latore aumenta,
quella nell’evaporatore continua a diminuire ed avviene il ritorno del condensato
(intervallo di tempo numero 3, Figura 3). Quest’ultima fase è detta
di ritorno. Le fasi operative di compressione e trasferimento sono caratterizzate
dal funzionamento della macchina con valvole chiuse, la loro
durata complessiva viene indicata con il simbolo τ t , che indica il tempo
complessivamente necessario per il trasporto del fluido. Al contrario la
fase operativa di ritorno è caratterizzata dal funzionamento con valvole
aperte, la sua durata è pari a τ c - τ t .
Caratterizzazione teorica
delle resistenze termiche
In dispositivi che funzionano a regime non stazionario è quantomai im -
proprio pensare di schematizzare il processo termico attraverso analogie
elettriche con circuiti esclusivamente resistivi. Tuttavia in dispositivi
che operano a regime periodico stabilizzato è possibile utilizzare
l’analogia elettrica con circuiti esclusivamente resistivi purché riferendosi
alle temperature medie di ogni ciclo dei singoli componenti.
Il termosifone bifase operante periodicamente presenta una resistenza
termica globale, che prima di essere definita, merita alcune considerazioni
preliminari. Il termosifone è una macchina termica a tre sorgenti
che dissipa il calore immesso ad alta temperatura verso due sorgenti;
una a bassa temperatura e una a temperatura intermedia. In molti casi
esse possono essere diverse [15], ma in questo caso temperatura intermedia
e temperatura della sorgente fredda coincidono. In questo caso
si può quindi individuare una catena di resistenze del dispositivo così
come riportato nel disegno schematico proposto in Figura 4.
La prima resistenza termica R E rappresenta la resistenza legata allo
scambio termico tra la superficie del dissipatore ed il fluido vettore; esso
è generalmente uno scambio termico di tipo ebollitivo. La resistenza R C
rappresenta la resistenza termica legata allo scambio termico tra il fluido
vettore e la sorgente fredda nella sezione del condensatore. Nel caso
in cui lo scambiatore presenti anche una sezione di sottoraffreddamento,
la resistenza R C sarebbe composta da una serie numerica di piccole
resistenze, in quanto la temperatura decresce lungo l’asse dello scambiatore.
Lo schema di Figura 4, per semplicità, si riferisce ad uno scambiatore
con la sola sezione condensante.
La temperatura del fluido può decrescere a causa della differenza fra la
pressione di saturazione esistente nell’evaporatore e nell’accumulatore.
Tale differenza di pressione dipende, come già chiarito dall’equazione
(1), dalla lunghezza del tratto che il liquido percorre in controgravità e
dalle perdite di carico. In questo caso è possibile definire una resistenza
termica atipica R g che mette in relazione la caduta di temperatura nel trat -
to in controgravità con la potenza termica dissipata Q’ m . Infine il termine
La Termotecnica • Aprile 2009
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