UTS Fonti di Energia e Cicli studi & ricerche earth ...

STUDI & RICERCHE

25ENERGIA, AMBIENTE E INNOVAZIONE 3/05

L’ebollizione in convezione forzata, utilizzata nella produzione dienergia e nell’industria di processo, viene ritenuta interessante

anche per i satelliti per telecomunicazione e le piattaformespaziali, dove occorrono sistemi di raffreddamento più sofisticati

e in grado di rimuovere elevate quantità di calore

Forced-convection boilingunder microgravity conditions

AbstractENEA, together with the Energy Thermofluid Dynamics

Institute of the Innovative Energy Sources and Cycles UTS,has started a research project, funded by ASI, ESA and

Snecma Moteurs, on forced-convection boiling under ISO 14001, EMAS and OHSAmicrogravity conditions.

The project, funded by the Italian and European SpaceAgencies and Snecma Moteurs, aims to characterize the ther-mofluid dynamics of forced-convection boiling in pipes under

microgravity conditions, in order to determine the projectconditions for tow-phase-cooled space equipment.

As a rule, microgravity conditions produce an increase inbubble size, and this change in bubble geometry goes

together with a deterioration in heat-exchange conditions.The influence of gravity on heat exchange lessens as coolant

speed and the quantity of steam in the outflow channelincrease. The analysis of the effect of gravity on bubble

geometry square with the findings on heat exchange. Therebathing of walls at high temperature is strongly influencedby the level of gravity. Compared with gravity conditions on

earth, speeds are up to four times lessstu

di &

ric

erc

he

GIAN PIERO CELATAANNUNZIATA D’ORAZIO

MARCO GERVASIALBERTO LATTANZI

LUCA SIMONETTIGIUSEPPE ZUMMO

ENEAUTS Fonti di Energia e Cicli

Energetici Innovativi

Ebollizione in convezione forzata in condizioni di microgravità

STUDI & RICERCHE

26 ENERGIA, AMBIENTE E INNOVAZIONE 3/05

L’ebollizione in convezione forzata si incon-tra in molte applicazioni, quali ad esempiola produzione di energia, l’industria di pro-cesso ecc.). Recentemente la satellisticaspaziale ha presentato una serie di proble-matiche la cui soluzione potrebbe essererappresentata dall’utilizzo dell’ebollizione inconvezione forzata. Negli anni futuri, leaspettative per i sistemi spaziali,come i satel-liti per telecomunicazione e le piattaformespaziali ‘abitate’dall’uomo (Stazione SpazialeInternazionale) cresceranno rapidamente.L’aumento delle prestazioni comporteràinevitabilmente un corrispondente aumen-to delle potenze termiche in gioco.Conseguentemente, sarà necessario pro-gettare sistemi di raffreddamento più sofi-sticati ed in grado di rimuovere elevatequantità di calore.D’altra parte, i sistemi ter-mici basati sul raffreddamento in monofase,senza cambiamento di fase del fluido refri-gerante,sono vicini alla loro massima capa-cità termovettrice,e non saranno più in gra-do di soddisfare ulteriori aumenti di poten-za da asportare.Una strada da percorrere per asportaremaggiori quantità di calore, per andareincontro alle nuove sfide spaziali,è quella diprogettare sistemi di raffreddamento cheoperano con cambiamento di fase (ebolli-zione di fluidi), specie in convezione forza-ta (ovvero con il fluido in movimento),alme-no sotto certe condizioni e/o in alcuni com-ponenti del sistema.Sistemi caratterizzati dalrefrigerante in condizioni di ebollizione inconvezione forzata, particolarmente effi-cienti perché sfruttano il trasporto del calo-re latente di vaporizzazione,sono perciò mol-to importanti per ridurre la dimensione edil peso di piattaforme spaziali e di satelliti.Talisistemi risultano essenziali per i reattorinucleari spaziali richiesti per le missioni spa-ziali di lunghissima durata, ma anche per ilmaterial processing ed i life support systemsin condizioni di microgravità.Occorre anche dire che,qualora si abbia ache fare invece con un sistema di raffred-damento in monofase liquido, un eventua-le transitorio incidentale porterebbe inevi-

tabilmente all’ebollizione del liquido. È evi-dente come la gestione del transitorio inci-dentale richieda una conoscenza appro-priata della fenomenologia dell’ebollizionein condizioni di microgravità.L’ENEA,con l’Istituto di TermofluidodinamicaEnergetica, ha iniziato un progetto di ricer-ca per la completa caratterizzazione termo-fluidodinamica dell’ebollizione in convezio-ne forzata all’interno di tubi in condizioni dimicrogravità, grazie ai finanziamenti ASI(Agenzia Spaziale Italiana) e Snecma Moteurs(industria aerospaziale francese),e ad un pro-getto triennale ESA (Agenzia SpazialeEuropea) iniziato il 1°ottobre 2004.L’impiantosperimentale denominato MICROBO(MICROgravity BOiling) è stato realizzato ecaratterizzato a terra, e la prima campagnasperimentale in microgravità è stata effettuatanel mese di ottobre 2004.

Generalità delle problematiche

Sebbene i meccanismi di ebollizione sianostati largamente e lungamente investigati incondizioni di gravità terrestre, la compren-sione della termofluidodinamica dell’ebolli-zione, specie in convezione forzata, in con-dizioni di microgravità è molto scarsa. Inparticolare, in convezione forzata, la dimen-sione delle bolle in condizioni di microgra-vità tende ad essere più grande di quanto nonsiano a gravità terrestre, in quanto il distac-co della bolla dalla parete scaldante è dovu-to alla sola forza di trascinamento per l’ovviaassenza della spinta di galleggiamento.È evidente che tale effetto tenderà a diminuireal crescere della velocità del fluido, in quan-to ad alte velocità la forza di trascinamentopuò essere predominante rispetto alla forzadi galleggiamento e rendere ininfluente que-st’ultima (e quindi ininfluente l’effetto della gra-vità).La conoscenza di questi limiti di velocità(velocità di soglia), che dipende anche dal-la geometria delle tubazioni e dalla quantitàdi vapore presente, è fondamentale per l’e-ventuale progettazione di un sistema in con-

STUDI & RICERCHE


dizioni operative indipendenti dalla gravità,ovvero per rendersi conto che l’assenza digravità richiede una progettazione basata sul-le conoscenze della fenomenologia dell’e-bollizione in microgravità.La maggiore dimensione delle bolle,qualo-ra il sistema operi con una velocità del flui-do refrigerante inferiore a quella di soglia,puòdar luogo a coalescenza di bolle che a suavolta può ritardare la ricondensazione delvapore nel fluido. Questo può avvenire neisistemi in ebollizione sottoraffreddata (mol-to comuni per la loro elevata efficienza ter-mica), ovvero caratterizzati da una tempe-ratura media del fluido refrigerante inferio-re al valore di saturazione, ma localmente –sulla parete scaldante – con una rilevante atti-vità di ebollizione. Ciò dà spesso luogo aduna degradazione delle prestazioni termiche,fino all’insorgere della crisi termica,che rap-presenta il parametro limitante di questisistemi di raffreddamento (per ulteriori infor-mazioni sulla crisi termica si veda il riferi-mento1),e la cui insorgenza interrompe l’ef-ficacia del sistema di refrigerazione,con tut-te le conseguenze relative, inclusa la possi-bile rottura per surriscaldamento termico deimateriali da raffreddare.Un diverso valore della frazione di vuoto neldeflusso, ovvero dell’area di passaggio nelcanale di refrigerazione occupata dalla fasevapore (dovuto alla diversa dimensione del-le bolle in condizioni di microgravità),alteraanche il flow pattern ovvero la distribuzionedelle fasi vapore e liquido all’interno delcanale.Una corretta conoscenza del flow pat-tern è essenziale ai fini di una corretta pre-dizione dello scambio termico, delle perdi-te di carico e dell’insorgenza della crisi ter-mica.Allo stato attuale le conoscenze di quantoriportato sopra (velocità di soglia, flow pat-tern, scambio termico, crisi termica, perdi-te di carico ecc.) sono molto limitate per l’e-bollizione in convezione forzata (il metodo piùefficace di refrigerazione).I pochissimi risul-tati disponibili sono molto sparsi e soprattut-to contraddittori. Ciò è dovuto alle ridotteopportunità disponibili per effettuare prove

di ebollizione in convezione forzata (voliparabolici,drop tower,razzi vettori,e stazionespaziale internazionale), alla difficoltà digestire un esperimento con circolazione difluido nelle condizioni di microgravità, alleridotte disponibilità di potenza termica,di spa-zio e di peso nelle varie facilities sperimen-tali, al costo elevato di tali ricerche.Un’esauriente panoramica di queste pro-blematiche può essere fornita da2-6.

Un altro aspetto di rilevante interesse per lapropulsione aerospaziale riguarda il quen-chingdi pareti a temperatura molto maggioredi quella del fluido. In particolare, rivesteimportanza il problema del chilling di com-bustibili criogenici, quali l’ossigeno liquidoe l’idrogeno liquido,che vengono utilizzati atemperature di poche decine di gradi Kelvinnei razzi vettori del progetto Ariane V (rea-lizzati dalla Snecma Moteurs).Quando ven-gono a contatto con pareti metalliche a pochedecine di gradi centigradi l’effetto è equiva-lente a quello di un fluido a temperaturaambiente che impatta contro pareti surri-scaldate a qualche centinaio di gradi (rewet-ting). Questo aspetto della ricerca è di spe-cifico interesse della Snecma Moteursche ha bisogno di sperimentazione ad hocper conoscere il comportamento della feno-menologia in assenza di gravità.

Facilities sperimentali disponibili

Condizioni di microgravità nell’ambito del-le quali eseguire le prove necessarie sonoottenibili con diverse apparecchiature spe-rimentali:volo parabolico,sounding rockets,drop towers,capsule orbitanti,stazione spa-ziale internazionale (ISS).Il volo parabolico, effettuato con aerei com-merciali opportunamente modificati, con-sente di ottenere circa 20 secondi di gravitàridotta (102 g), anche se con rilevanti oscil-lazioni del valore della gravità intorno alvalore sopra riportato. Questo fenomeno,noto come g-jitter, è abbastanza deleterioquando si esegue sperimentazione in poolboiling, ma è invece ininfluente nelle prove

STUDI & RICERCHE


di ebollizione in convezione forzata.In Europai voli parabolici vengono effettuati utilizzan-do un Airbus A-300 gestito dalla SocietàFrancese Novespace e finanziato dall’ESA,Agenzia Spaziale Europea. Questo aereo èil più grande mai usato per voli parabolici,edè in grado di ospitare 12-14 esperimenti abordo (in funzione delle loro dimensioni) conoltre 50 sperimentatori, giornalisti e perso-nale di sicurezza.La possibilità di avere ricercatori a bordo ela durata ragionevole delle condizioni dimicrogravità rendono il volo parabolico il pri-mo approccio utile per la sperimentazionedi ebollizione in convezione forzata.Attualmente l’aereo della Novespace eseguetre campagne sperimentali all’anno perl’ESA, aperte a progetti europei, due per ilCNES,Agenzia Spaziale Francese, riservatia progetti francesi,ed una o due per l’AgenziaSpaziale Tedesca. Una campagna speri-mentale consiste in tre giorni di volo para-bolico con circa trenta parabole eseguite ognigiorno.L’utilizzo di razzi, sounding rockets, consen-te di ottenere fino a 750 secondi di micro-gravità (razzo MAXUS in Europa) affetta daun bassissimo valore del g-jitter.Ovviamente l’esperimento è unmanned el’apparecchiatura sperimentale deve esse-re molto compatta e completamente auto-matizzata, con conseguenti limitazioni peresperimenti di ebollizione in convezioneforzata. Le opportunità di sperimentazionesono molto ridotte e comunque limitate a pro-getti specifici.Condizioni di microgravità possono ancheessere ottenute con le drop tower dove unacapsula contenente gli esperimenti viene fat-ta cadere in caduta libera realizzando alcu-ni secondi di microgravità. La drop tower diZARM a Brema, dopo la chiusura di quellagiapponese del JAMIC vicino Sapporo,attual-mente consente la maggior durata dellecondizioni di microgravità fino a poco menodi 10 secondi.Anche in questo caso l’espe-rimento è unmanned, la durata delle condi-zioni di microgravità è assai limitata per

esperimenti di ebollizione in convezioneforzata, la cui gestibilità, senza operatore, èassai ridotta.Capsule orbitanti,come la russa FOTON,pos-sono ospitare piccoli laboratori per esperi-menti di microgravità,quali il FluidPac (FluidPhysics Facility) che, inizialmente concepitoper osservazioni di tensione superficiale efenomeni termici lungo l’interfaccia liquido-gas, può anche essere usato per diversiesperimenti di fisica dei fluidi, inclusa l’e-bollizione.La piattaforma ospita 13 diversi dia-gnostic tools e fino a 4 container sperimen-tali possono esservi alloggiati e operati con-temporaneamente.La missione orbitale dura15 giorni e i dati sperimentali possono esse-re memorizzati a bordo e parzialmente invia-ti a terra per telemetria. Nel corso del 2005è previsto un lancio con 4 esperimenti di fisi-ca dei fluidi,di cui uno relativo al pool boilingin presenza di campi elettrici (che sembra-no poter compensare l’assenza di gravità nel-la dinamica delle bolle).Anche in questa faci-lity sperimentale test di ebollizione in con-vezione forzata trovano spazio con grande dif-ficoltà.La più promettente facilityeuropea per espe-rimenti in bifase (ebollizione e condensa-zione) è la Fluid Science Laboratory (FSL),che sarà alloggiata nel laboratorio europeoColumbus a bordo della Stazione SpazialeInternazionale (ISS).La FSL è una facility multi-user per effettuarericerca di fisica dei fluidi in condizioni dimicrogravità, e può operare in modo com-pletamente automatico oppure solo parzial-mente automatico, potendo essere control-lata a bordo dagli astronauti dell’ISS, oppu-re da terra attraverso il cosiddetto telescien-ce mode.La FSL è equipaggiata con una ric-ca disponibilità di strumentazione moltoavanzata (telecamere high-speed ed infra-rosso, particle image velocimetry, tracciantia cristalli liquidi, interferometria ecc.).È evi-dente che la FSL rappresenta l’obiettivo a lun-go termine per una completa a definitiva spe-rimentazione sull’ebollizione in convezioneforzata.

STUDI & RICERCHE


Il Progetto ENEA e l’impiantoMICROBO

L’Istituto di Termofluidodinamica dell’ENEAha iniziato da alcuni anni una ricerca sull’e-bollizione in convezione forzata in tubi di pic-colo diametro (da 1 a 6 mm) con l’obiettivodi caratterizzarne il comportamento termo-fluidodinamico in condizioni di microgravità.Lo scopo del progetto è quello di colmare,almeno in parte,le lacune conoscitive descrit-te in precedenza per le applicazioni spazia-li già discusse.Dopo un programma di ricer-ca biennale con ASI,che ha consentito di rea-lizzare l’apparecchiatura sperimentale, l’at-tività di ricerca è iniziata con un finanziamentodella Snecma Moteurs,e proseguirà con unProgetto triennale dell’ESA, che vede coin-volti oltre l’ENEA, l’Università della Provenzaa Marsiglia, l’Ecole Centrale de Paris,l’Università Libera di Bruxelles, l’Università diPisa,l’ETH di Zurigo,l’Università di Darmstadte il CEA di Parigi. Al progetto collaboranoanche alcune industrie europee, tra cui laSnecma Moteurs (anche finanziariamente)con specifico riferimento alle attivitàdell’ENEA che coordina,nel Progetto ESA,leattività sull’ebollizione in convezione forzata,cui collaborano anche l’ETH di Zurigo,l’Università Libera di Bruxelles e l’Universitàdella Provenza a Marsiglia. Gli altri partner,oltre all’Università della Provenza,si occupanodel pool boiling, attività coordinatadall’Università di Darmstadt.Tra gli obiettividel Progetto, oltre allo svolgimento dell’atti-vità di ricerca,c’è anche la definizione di unaproposta di ricerca sull’ebollizione per laStazione Spaziale Internazionale (ISS).Comegià detto, l’ENEA,grazie a un finanziamentodell’ASI, ha realizzato un impianto speri-mentale per prove di ebollizione in conve-zione forzata in volo parabolico. L’impianto,denominato MICROBO (MICROgravityBOiling),è progettato per essere installato abordo dell’Airbus A-300 della Novespace erappresenta l’unico impianto oggi disponibilein Europa, e tra i pochi al mondo, per espe-rimenti di questo tipo. La sua progettazione

è molto spinta ed è caratterizzata da soluzionidi alto livello tecnologico.In particolare,deveresistere ad un’accelerazione massima di 9g,e deve essere caratterizzato da un livello diaffidabilità altissimo.L’affidabilità massima ha una motivazioneduale.Da un lato l’affidabilità dell’impianto èrichiesta per motivi di sicurezza a bordo del-l’aereo. Quest’ultimo opera in condizioniestreme durante il volo parabolico e, ovvia-mente,non è consentita alcuna perdita di refri-gerante dall’impianto né altri incidenti chepossano mettere a repentaglio l’incolumità deipasseggeri e la sicurezza del volo. La partedi piping contenente il fluido sperimentale èsoggetta ad un sistema di doppio conteni-mento che prevenga ogni possibile proble-ma sopra descritto.L’affidabilità dell’impiantoè necessaria anche dal punto di vista tecni-co. Viste le limitate opportunità di volo (trecampagne sperimentali all’anno, con tregiornate di volo a campagna,ciascuna di tren-ta parabole) e considerate le molte richiesteper accedervi e gli alti costi associati (le cam-pagne sperimentali durano circa due setti-mane tra preparazione pre-volo,preparazionedell’esperimento sull’aereo e giornate divolo),la perdita di ogni parabola rappresentauna significativa perdita di denaro e di oppor-tunità sperimentale che ritarda il raggiungi-mento degli obiettivi del progetto.L’impianto deve anche essere altamenteautomatizzato per consentire ai ricercatoriENEA presenti sull’aereo di operare con latempistica più breve, visti i tempi ridottissi-mi a disposizione durante l’esecuzione del-le varie parabole.Altri vincoli di progettazionemolto stringenti riguardano la compattezzaed il peso, e la disponibilità molto limitata dipotenza termica a bordo dell’aereo, chehanno obbligato a soluzioni ad hoc per rien-trare nei criteri progettuali dati dallaNovespace e dall’autorità di sicurezza alvolo francese (le campagne sperimentalipartono dall’aeroporto di Bordeaux). Tutti icomponenti richiedono specifici fissaggiche consentano di sopportare i 9g richiestidalle specifiche di progettazione.

STUDI & RICERCHE


Uno schema di massima dell’impiantoMICROBO è riportato in figura 1, mentre lafigura 2 riporta una foto dell’impianto già mon-tato a bordo dell’Airbus A-300, con i trericercatori che hanno volato durante l’ese-cuzione della campagna sperimentale del 26-

28 ottobre 2004. L’impianto consiste fonda-mentalmente di una pompa (portata massi-ma 500 ml/min), un filtro, due misuratori diportata,un preriscaldatore elettrico,la sezio-ne di prova (dove avviene l’ebollizione del

fluido), il condensatore.La pressurizzazionedell’impianto è ottenuta con azoto. La pres-sione massima dell’impianto è 6 bar, limita-ta a circa 2 bar per le prove con sezioni di pro-va in pirex. In quest’ultimo caso (sezione diprova utilizzata nella campagna sperimentaledi ottobre 2004),la temperatura massima del-la parete del pirex è di 230 °C,mentre quel-la massima del fluido usato (FC-72, aventeuna densità pari a circa 1,8 quella dell’acqua,ma un calore latente di circa un decimo) è di90 °C.La potenza termica disponibile a bor-do dell’aereo è di 150 W per il preriscalda-tore elettrico e di 180 W per la sezione di pro-va. Le dimensioni dell’impianto sono 66 cmx 194 cm x 54 cm, mentre il suo peso totaleè di 210 kg. La sezione di prova in pirex uti-lizzata nella prima campagna sperimentaleè riportata in figura 3,mentre uno schema del-la posizione delle microtermocoppie di pare-te è riportato in figura 4. Il diametro internoè di 6,0 mm e la sua lunghezza riscaldata èdi 165 mm. Il fluido è riscaldato tramite ilriscaldatore a filo avvolto intorno al tubo, alfine di consentire la visualizzazione del pro-cesso di ebollizione all’interno della sezionedi prova.Sulla superficie esterna sono appli-cate 15 microtermocoppie,sviluppate pres-so l’ENEA, per la misurazione della tempe-ratura esterna della parete, ai fini della valu-tazione dei coefficienti di scambio termico.La sezione di prova consente di effettuareriprese filmate del fenomeno per la valuta-zione del flow pattern.Nel corso del trienniodelle attività del Progetto, che prevede daquattro a sei voli parabolici con l’impiantoMICROBO,verranno effettuati test con sezio-ni di prova da 1,2,4,e 6 mm di diametro inter-no, sia di pirex che di acciaio inossidabile(queste ultime per una più accurata valuta-zione del trasferimento del calore).Verrà ana-lizzato in dettaglio lo scambio termico in ebol-lizione in convezione forzata sia satura chesottoraffreddata, con la valutazione dellavelocità di soglia in funzione della geometriadella tubazione e delle condizioni termoi-drauliche del fluido refrigerante.Verrà effet-tuata un’accurata mappatura del flowpattern

Figura 1Schema dell’impiantoMICROBO

Figura 2Foto dell’impiantoMICROBO a bordodell’Airbus A-300

STUDI & RICERCHE


Figura 5L’Airbus A-300 Zero-gutilizzato per i voli para-bolici dell’ESA

in microgravità oltre alla determinazionedelle condizioni di crisi termica.Prove specifiche saranno anche dedicateall’analisi del quenching di pareti ad altatemperatura.

Il volo parabolico

Come già detto, il volo parabolico vieneeffettuato a bordo di un Airbus A-300,ripor-tato in figura 5, gestito dalla Novespace perconto dell’ESA e del CNES.Una descrizione del raggiungimento deidiversi livelli di gravità ottenuti a bordo del-l’aereo sono descritti in figure 6 e 7.Durante la fase di salita e di discesa della para-bola (figura 6),quando la concavità della cur-va che l’aereo percorre è rivolta verso l’alto,la forza centrifuga dovuta al moto non unifor-me dell’aereo è diretta parallelamente allacomponente della gravità lungo l’asse orto-gonale al piano dell’aereo, cui si riferisceanche la portanza delle ali,opposta alla gra-vità. Pertanto, in queste due fasi della para-bola la risultante lungo l’asse normale alpiano dell’aereo risulta superiore addirittu-ra alla gravità terrestre e varia da 1,5 a 1,8 g.Da notare che queste condizioni sono par-ticolarmente critiche per l’organismo uma-no e possono facilmente provocare mal d’ae-reo se il passeggero si muove troppo rapi-damente (i passeggeri sono trattati con far-maci specifici per ridurre questo problema).Durante queste fasi sia il raggio di curvatu-ra che la velocità dell’aereo variano conti-nuamente per mantenere condizioni di gra-vità il più possibile costanti. Le forze agentisull’aereo secondo l’asse del piano di cal-pestio dell’aereo sono l’attrito (resistenzadell’aria) e la spinta dei motori, e non pren-dono parte alla definizione delle condizionidi gravità.Nella parte alta della parabola (figura 7),quando la concavità della curva seguita dal-l’aereo è rivolta verso il basso, la forza cen-trifuga si inverte e quindi va a compensarela componente della forza di gravità orto-gonale all’asse orizzontale dell’aereo realiz-

zando un livello di gravità molto basso (tipi-camente di 0,01g). Anche in questo caso ilraggio di curvatura e la velocità dell’aereovariano con continuità per mantenere costan-

te il livello di microgravità.Le oscillazioni dellivello di microgravità, g-jitter, dipendonomolto dalle condizioni atmosferiche (turbo-lenza) e dall’abilità del pilota. La figura 8

Figura 4Schema della sezione diprova in pirex usata nel-la campagna sperimen-tale di ottobre 2004:posizionamento dellemicrotermo coppie diparete

Figura 3Foto della sezione diprova in pirex usata nel-la campagna sperimen-tale di ottobre 2004

STUDI & RICERCHE


mostra tutti i dati tecnici di una singola para-bola.L’aereo parte da una quota di 6100 metricon una velocità di 850 km/h ed inizia la par-te ascensionale della parabola fino a rag-

giungere ad una quota di 7600 metri un ango-lo di 47° (in decollo un normale aereo di lineasi inclina di soli 18°!!!) riducendo la sua velo-cità fino a 570 km/h.In questa fase,come det-to, la gravità è maggiore di quella terrestre,fino a 1,8 g, e la fase dura per 20 secondi.

Raggiunta questa inclinazione massima (injec-tion point) l’aereo comincia a coprire la par-te superiore della parabola dove si realizza-no per circa 22 secondi le condizioni diassenza di gravità.La velocità raggiunge il minimo di 370 km/hnel vertice della parabola,ad una quota di8500 metri,poi ricomincia ad aumentare nel-la prima fase di discesa della parabola (sem-pre in condizioni di microgravità).Al termine della fase di microgravità (reco-very point), ai 7600 metri, la velocità torna a570 km/h con un angolo massimo di 42°.Dopo questa condizione l’aereo torna allecondizioni di volo livellato scendendo ai6100 metri e raggiungendo la velocità di 825km/h. Anche in questa fase (prima di rag-giungere la quota di volo livellato) il livello digravità è maggiore di quello terrestre, fino a1,8g, per una durata di circa 20 secondi.Le parabole si susseguono con una fre-quenza molto serrata, come mostrato nellafigura 9.Mediamente tra due parabole contigue il tem-po è inferiore ai due minuti. In questo inter-vallo dei tempo bisogna portare l’impiantonelle nuove condizioni di prova. Ogni bloc-co di cinque parabole offre intervalli di tem-po più lunghi per consentire variazioni del-le condizioni sperimentali che richiedonotempi maggiori.La durata totale delle parabole in una gior-nata di volo è di circa due ore.La sequenza delle parabole mostra chiara-mente come le prove sperimentali devonosusseguirsi con una rapidità frenetica e stres-sante (tra l’altro i ricercatori sull’aereo sono fisicamente molto provati dal susseguirsi dicondizioni di micro e macrogravità).Ciò richiede una programmazione moltoaccurata e spinta delle prove da eseguire chedevono essere provate e riprovate a terra alfine di consentire il massimo utilizzo delleparabole disponibili.Le figure 10 e 11 mostrano i ricercatoriENEA impegnati nella campagna speri-mentale in condizioni di macrogravità emicrogravità, rispettivamente.

Figura 8Parametri di volo duran-te la parabola

Figura 7Parte superiore dellaparabola: condizioni dimicrogravità (10-2g)

Figura 6Parte iniziale e finaledella parabola: condi-zioni di ipergravità(1,8g)

Figura 9Sequenza delleparabole in una gior-nata di campagna divolo parabolico abordo del-l’Airbus A-300

STUDI & RICERCHE


Figura 11I ricercatori ENEAdurante una fase dimicrogravità

Risultati sperimentali del primovolo parabolico

La prima campagna sperimentale in voloparabolico (ESA PF38) effettuata dal 18 al 29ottobre 2004 è stata sponsorizzata dall’ESA(per quanto riguarda il volo parabolico) e dal-la Snecma Moteurs per quanto riguarda i costidella missione.In condizioni di ebollizione, a parte la coa-lescenza,la dimensione di una bolla di vapo-re dipende fondamentalmente dal suo valo-re al distacco dalla parete scaldante. Il dia-metro di una bolla al distacco, in ebollizionein convezione forzata, dipende dal bilanciodi tre forze: la forza di tensione superficiale,che tende a far rimanere la bolla attaccata allaparete,la forza di galleggiamento (legata allagravità) che tende a staccarla,e la forza di tra-scinamento (forza di inerzia legata alla velo-cità del fluido refrigerante) che tende a stac-carla.È evidente che in condizioni di micro-gravità, venendo a mancare la forza di gal-leggiamento, rispetto ad un’identica situa-zione con gravità terrestre, il diametro dellabolla al distacco è generalmente maggiore.A meno che, già in condizioni di gravità ter-restre la velocità del fluido refrigerante sia taleche la forza di trascinamento sia preponde-rante rispetto al galleggiamento da rendereininfluente l’eventuale drastica riduzione del-la gravità.È evidente che questo dipenderàanche dalla pressione di esercizio del siste-ma (la dimensione di una bolla tende a dimi-nuire al crescere della pressione),dal flussotermico in gioco (effetti di coalescenza e diregimi di deflusso, del tipo a bolle o anula-re) e dalla geometria del canale di passag-gio (che incide sul regime di deflusso). Ladimensione delle bolle influenza la termo-idraulica del deflusso sia in termini di perdi-te di carico che in termini di scambio termico.La conoscenza dei limiti di influenza della gra-vità su tale fenomenologia risulta determi-nante per stabilire i criteri di progettazionedi sistemi in bifase per applicazioni spazia-li.Per condizioni termoidrauliche non influen-zate dal livello di gravità la progettazione potrà

Figura 10I ricercatori ENEAdurante una fase dimacrogravità

essere eseguita sulla base delle conoscen-ze a gravità terrestre, mentre per condizio-ni sensibili al livello di gravità i risultati dellaricerca consentiranno di definire dei nuovi cri-teri per la progettazione di tali sistemi.

Gli obiettivi della prima campagna speri-mentale,dove è stata utilizzata la sezione di pro-va da 6 mm di diametro interno per 165 mmdi lunghezza riscaldata,erano i seguenti:- verificare la funzionalità dell’impiantoMICROBO in condizioni di microgravità;- eseguire la campagna sperimentale diebollizione in convezione forzata con tubo da6 mm;- visualizzare la dinamica delle bolle;- determinare le soglie di transizione, in ter-mini di velocità del fluido e quantità di vapo-

STUDI & RICERCHE


re presente,oltre le quali l’assenza di gravitànon influenza l’ebollizione;- quenching di pareti ad alta temperatura.Le prove di quenching (ribagnamento dipareti ad alta temperatura) sono prove spe-cifiche per Snecma Moteurs,di loro interes-se per le problematiche di chilling del com-bustibile (idrogeno ed ossigeno liquidi) uti-lizzato nel motore VINCI (progetto Ariane V),dovendo verificare l’influenza della gravità sul-la velocità di ribagnamento.L’impianto sperimentale MICROBO ha avutouna funzionalità perfetta in tutte le condizionidi volo ed ha consentito l’esecuzione di 93 pro-ve sperimentali su 93 parabole effettuate neitre giorni di volo parabolico,di cui 15 di quen-ching ed il resto di ebollizione.Di seguito viene riportata una breve descri-zione dei principali risultati sperimentali otte-nuti nella prima campagna sperimentale.

Influenza della velocità del refrigerantesull’effetto della gravità nello scambio ter-mico

I grafici di figura 12 e 13 mostrano l’anda-mento di alcune termocoppie di parete del-

la sezione di prova (in totale sono 15) al varia-re del livello di gravità e per due valori del-la velocità del fluido refrigerante, rispettiva-mente 6 cm/s per la figura 12 (portata spe-cifica, G = 47,5 kg/m2s, flusso termico, q” =10.200 W/m2, titolo di vapore, x = -0,05,pressione di uscita, pout = 0,18 MPa, sotto-raffreddamento in ingresso ∆Tin = 25 K),e 55cm/s per la figura 13 (portata specifica,G =439 kg/m2s, flusso termico, q” = 37.400W/m2, titolo di vapore, x = -0,08, pressionedi uscita,pout = 0,16 MPa,sottoraffreddamentoin ingresso DTin = 15 K). La traccia del valo-re del livello di gravità si legge sull’asse ‘y’alla destra del grafico. Sono evidenti le duezone di macrogravità (circa 1,8g) prima edopo la regione di circa 20 s di microgravità.Con riferimento alla figura 12 (bassa velocità,6 cm/s) le tre termocoppie di parete tracciatemostrano un andamento abbastanza regolaree costante durante il volo livellato (precedentela prima zona di macrogravità) ed anchedurante la prima zona di macrogravità.Durante l’intervallo di microgravità le tem-perature di parete tendono a crescere signi-ficativamente indicando (la temperatura delfluido resta costante durante questa fase) chelo scambio termico si riduce con la micro-gravità. Infatti, se analizziamo l’equazione dibilancio termico q” = h (Tw – Tf)dove q” è il flusso termico (W/m2), h il coef-ficiente di scambio termico (W/m2K),Tw è latemperatura di parete (°C), e Tf è la tempe-ratura del fluido (°C), poiché q” e Tf restanocostanti durante il periodo di microgravità,l’aumento di Tw è dovuto ad una riduzione dih, ovvero ad una degradazione del trasferi-mento del calore.Nella fase di macrogravitàsuccessiva alla microgravità le temperaturescendono addirittura al di sotto dei valori pre-cedenti i transitori gravitazionali (effetto dovu-to al collasso delle bolle durante la secondafase di macrogravità), ma l’effetto è transito-rio e i valori di temperatura tendono poi aquelli che avevano prima delle variazioni gra-vitazionali.Se analizziamo invece la figura 13, dove lavelocità del fluido refrigerante è di 55 cm/s(ovvero nove volte maggiore), si può osser-

Figura 12 Andamento tipico del-le temperature di pare-te al variare del livellodi gravità per bassivalori della velocità delfluido refrigerante(portata specifica 47,5kg/m2s, equivalenti acirca 6 cm/s; flusso ter-mico, q” = 10200 W/m2,titolo di vapore, x = -0,05, pressione di usci-ta, pout = 0,18 MPa, sot-toraffredamento iningresso ∆Tin = 25 K)

Figura 13Andamento tipico del-le temperature di pare-te al variare del livello digravità per alti valoridella velocità del fluidorefrigerante (portataspecifica 439 kg/n2s,equivalenti a circa 55cm/s; flusso termico, q”= 37400 W/m2, titolo divapore, x = -0,08, pres-sione di uscita, pout =016 MPa, sottoraffred-damento in ingresso∆Tin = 15 K

STUDI & RICERCHE


vare come durante la fase di microgravità letemperature di parete rimangano pratica-mente costanti durante tutte le fasi del volo.I due casi esaminati si riferiscono a situazio-ni di scambio termico con titolo di vapore(quantità di vapore presente) praticamentecostante e non elevatissimo (condizioni diquasi-saturazione all’uscita della sezione diprova). In queste condizioni e con l’attualesezione di prova l’influenza della gravità sul-lo scambio termico scompare quando la velo-cità del fluido refrigerante supera i 48-50 cm/s.

Influenza del titolo di vapore sull’effettodella gravità nello scambio termico

Poiché, come detto, l’influenza eventualedella gravità sullo scambio termico dipendeanche dalla quantità di vapore presente,alcune prove sono state eseguite in condizionimolto diverse di titolo di vapore (a parità divelocità del fluido refrigerante) per verifica-re quest’ulteriore dipendenza. Se osservia-mo la figura 14,abbiamo le stesse condizionidella prova riportata in figura 12 con l’ecce-zione del flusso termico,che è 23.000 W/m2

invece di 10.200 W/m2, con conseguenteincremento del titolo di vapore da -0,05 a 0,3.In queste condizioni di alto titolo anche pervelocità del refrigerante molto basse l’in-fluenza della gravità sullo scambio termicorisulta trascurabile. Si può ragionevolmenteasserire che al di sopra di un titolo di vapo-re pari a 0,3, l’effetto della gravità è trascu-rabile indipendentemente dalla velocità delfluido refrigerante.

Inter-relazione della velocità del fluido edel titolo di vapore sull’effetto della gra-vità nello scambio termico

Poiché l’effetto della gravità sullo scambio ter-mico abbiamo visto essere dipendente dalvalore della velocità e dal titolo di vapore, èimportante avere una rappresentazione glo-bale dell’influenza della gravità al variare deidue parametri.La matrice sperimentale ese-guita nel corso della campagna sperimen-tale è stata ideata per ottenere quest’infor-mazione e la relativa rappresentazione glo-bale che lega velocità e titolo di vapore èriportata in figura 15.La linea tratteggiata rap-

presenta la linea di transizione circa l’in-fluenza o meno della gravità sullo scambiotermico in funzione di questi due parametritermofluidodinamici.

Influenza del livello di gravità sulla geo-metria delle bolle

Si è già detto circa l’influenza della dimen-sione delle bolle e della loro distribuzione sultrasferimento del calore.È pertanto intuitivoaspettarsi che la dimensione delle bolle inmicrogravità sia maggiore laddove esiste unadifferenza marcata in termini di scambiotermico,mentre dove lo scambio termico nonè influenzato dalla gravità ci si può aspetta-re un’equivalenza nella geometria delle bol-le e nella loro distribuzione.La figura 16 mostra due foto tratte dai filma-ti ad alta velocità registrati durante l’esecu-zione delle prove.La foto in alto si riferisce acondizioni di gravità terrestre (foto presadurante il volo livellato precedente la macro-gravità), mentre la foto in basso è relativa acondizioni di microgravità.Le condizioni ter-mofluidodinamiche sono di bassa velocità ebasso titolo di vapore (G = 96 kg/m2s,equi-valenti a circa 12 cm/s, q” = 22.660 W/m2, x= -0,06, pout = 0,18 MPa, ∆Tin = 27,5 K).In queste condizioni lo scambio termico èinfluenzato dal livello di gravità (si riduce alridursi della gravità).Si può notare come la dimensione delle bol-

Figura 14Andamento tipicodelle temperature diparete al variare dellivello di gravità perbassi valori dellavelocità del fluidorefrigerante e titolidi vapore elevato(portata specifica47,5 kg/m2s, equiva-lenti a circa 6 cm/s;flusso termico, q” =23.000 W/m2, titolodi vapore, x = 0,3,pressione di uscita,pout = 0,18 MPa, sot-toraffreddamento iningresso ∆Tin = 25K)

STUDI & RICERCHE


La figura 18 riporta un tipico andamento perTw = 230 °C.La temperatura di parete,misu-rata con due termocoppie (tipici andamen-ti delle 15 termocoppie installate) vieneriportata in funzione del tempo. I dati ripor-tati nella figura si riferiscono alla prova effet-tuata in condizioni di microgravità ed alla pro-va di riferimento effettuata a terra in condi-zioni termoidrauliche identiche.Dalla figura risulta evidente come il riba-gnamento della parete asciutta (abbatti-mento della temperatura di parete seguen-te la reintroduzione del fluido refrigeranteall’interno della sezione di prova) sia note-volmente rallentato in microgravità rispettoad analoghe condizioni in gravità terrestre.Il ritardo raggiunge nel caso mostrato nellafigura i 10 secondi di tempo.La figura 19 mostra invece l’andamento del-la velocità di ribagnamento in funzione del-la velocità del fluido refrigerante in condizionidi microgravità e di gravità terrestre.Come si può vedere la riduzione della velo-cità di ribagnamento è davvero drastica pas-sando, alla massima velocità del refrigeran-te, da un valore di circa 20 mm/s a 5 mm/s.

le in microgravità sia decisamente maggio-re di quanto si abbia a gravità terrestre.Aumentando la velocità del fluido refrigerante(a parità di altre condizioni) fino ai valori percui la gravità risulta trascurabile per lo scam-bio termico, la dimensione delle bolle risul-ta pressochè identica sia per gravità terrestreche in microgravità. Un tipico esempio èriportato in figura 17,dove,analogamente allafigura 16,la foto in alto si riferisce a condizionidi gravità terrestre,mentre la foto in basso èrelativa a condizioni di microgravità (G = 439kg/m2s,equivalenti a circa 55 cm/s,q”= 37.400W/m2,x = -0,08,pout = 0,16 MPa,∆Tin = 15 K).In entrambe le condizioni la geometria del-le bolle è decisamente simile,confermandoi risultati descritti per quanto riguarda loscambio termico.

Influenza del livello di gravità sul quenching

Le prove di quenching sono state effettuateprovocando l’asciugamento della paretescaldante mediante deviazione della porta-ta di refrigerante con valvola a tre vie duran-te la fase di volo livellato e di macrogravità,e riattivando la portata (con circolazionedall’alto verso il basso) nella sezione di pro-va ‘asciugata’ e con pareti ad alta tempera-tura all’inizio dell’intervallo di microgravità.La temperatura di parete è stata portata nel-le varie prove a 160,190,e 230 °C,con variecondizioni termofluidodinamiche, secondole specifiche Snecma Moteurs.

Figura 16Foto del flow pat-tern a 1-g (sopra) e0-g (sotto) per bas-se velocità e bassititoli di vapore (G =96 kg/m2s, equiva-lenti a circa 12 cm/s,q” = 22.660 W/m2, x= -0,06, pout = 0,18MPa, ∆Tin = 27,5 K)

Figura 17Foto del flow pat-tern a 1-g (sopra) e0-g (sotto) per altevelocità e bassi tito-li di vapore (G = 439kg/m2s, equivalentia circa 55 cm/s, q”= 37.400 W/m2, x =-0,08, pout = 0,16MPa, ∆Tin = 15 K)

Figura 15Mappa 0-g dell’in-ter-relazione dellavelocità del fluidorefrigerante e deltitolo di vapore inmerito all’influenzadel livello di gravitàsullo scambio termi-co

STUDI & RICERCHE


ConclusioniL’ENEA,con l’Istituto di TermofluidodinamicaEnergetica dell’UTS Fonti di Energia e CicliEnergetici Innovativi ha iniziato un progettodi ricerca sull’ebollizione in convezione for-zata in microgravità, finanziato da ASI,ESA eSnecma Moteurs.L’obiettivo è quello di carat-terizzare la termofluidodinamica dell’ebol-lizione in convezione forzata all’interno di tubiin condizioni di microgravità al fine di deter-minare le condizioni di progetto per appa-recchiature spaziali raffreddate in bifase.Generalmente, le condizioni di microgravitàproducono un aumento delle dimensionidelle bolle dovuto alla mancanza della for-za di gravità nel bilancio di forze per il dia-metro di distacco della bolla dalla parete(restano la tensione superficiale, adesiva, ela forza di trascinamento, che tende a stac-care la bolla). A questa variazione della geo-metria delle bolle corrisponde un deterio-ramento delle condizioni di scambio termi-co.L’influenza della gravità sullo scambio ter-mico tende a diminuire al crescere della velo-cità del fluido refrigerante ed alla quantità divapore presente all’interno del canale dideflusso. Per bassi titoli (fino alle condizionidi saturazione all’uscita dalla sezione di pro-va) l’influenza della gravità può considerar-si trascurabile per velocità del fluido supe-riore ai 48-50 cm/s.Per titoli elevati,superiorial 30%, l’influenza della gravità sullo scam-bio termico è di fatto trascurabile indipen-dentemente dalla velocità del fluido refrige-rante.L’inter-relazione velocità del fluido – tito-lo di vapore ed il relativo effetto sull’influen-za della gravità sullo scambio termico è sta-ta quantificata. L’analisi della geometria del-le bolle in funzione della gravità si è mostra-ta in ottimo accordo con i risultati relativi alloscambio termico.Ad alte velocità e bassi tito-li di vapore, ad esempio, la geometria dellebolle è di fatto indipendente dalla gravità,mentre per velocità inferiori la microgravitàè caratterizzata da bolle di dimensioni mag-giori. Il ribagnamento di pareti ad alta tem-peratura è fortemente influenzato dal livellodi gravità. Rispetto alle condizioni di gravità

terrestre si raggiungono velocità fino a quat-tro volte inferiori.

Bibliografia

1. G.P. CELATA and A. MARIANI, Critical Heat Flux, Post-dryoutand Their Augmentation, ENEA, RT/ERG/98/10.

2. H. OHTA, A. BABA and K. GABRIEL, "Review of ExistingResearch on Microgravity Boiling and Two-Phase Flow. FutureExperiments on the International Space Station", Ann. N.Y.Academy of Sciences, 974, pp. 410-427, 2002.

3. H. OHTA, Heat Transfer Mechanisms in Microgravity FlowBoiling, 974, pp. 463-480, 2002.

4. P. DI MARCO, "Review of Reduced Gravity Boiling HeatTransfer: European Research", J. Japanese Society ofMicrogravity Applications, 20, pp. 252-263, 2003.

5. J. KIM, "Review of Reduced Gravity Boiling Heat Transfer:US Research", J. Japanese Society of MicrogravityApplications, 20, pp. 264-271, 2003.

6. H. OHTA, "Review of Reduced Gravity Boiling HeatTransfer: Japanese Research", J. Japanese Society ofMicrogravity Applications, 20, pp. 272-285, 2003.

Figura 18Tipico andamentodella temperatura diparete dopo la riat-tivazione della por-tata; confronto del-le prove in micro-gravità con prove aterra

Figura 19Andamento dellavelocità di ribagna-mento media in fun-zione della portatadel fluido refrige-rante in condizionidi microgravità e digravità terrestre

UTS Fonti di Energia e Cicli studi & ricerche earth ...

Documents

Transcript of UTS Fonti di Energia e Cicli studi & ricerche earth ...