Studio sperimentale mediante LDV del campo di moto convettivo prodotto da una superficie orizzontale immersa in un liquido dielettrico

INTRODUZIONE La ricerca nel campo della refrigerazione dei componenti elettronici ha dato origine ad una serie di studi rivolti ad individuare tecniche di raffreddamento sempre più efficaci. Tra queste un particolare interesse è stato rivolto al controllo termico di dispositivi elettronici mediante immersione diretta in liquidi dielettrici. Molti studi relativi a questa tecnica sono stati compiuti nel contesto dell'ebollizione in liquido stagnante (pool boiling), mentre minori attenzioni sono state rivolte all'analisi della fase di convezione naturale che precede l'innesco dell'ebollizione. Nell'ambito di queste ricerche si colloca il presente lavoro che consiste principalmente in una accurata indagine sperimentale riguardante lo studio della convezione naturale che si stabilisce su dischi orizzontali di piccole dimensioni, immersi in un liquido dielettrico. In particolare è stato analizzato il comportamento di quattro superfici di diametro 12, 20, 30 e 40 mm, impiegando come fluido termovettore il liquido dielettrico FC 72. Mediante una serie di prove, effettuate a pressione atmosferica in condizioni di sottoraffreddamento, è stato misurato il coefficiente di scambio termico per le diverse geometrie. I dati sperimentali sono stati confrontati con quelli tratti dalla letteratura e sono state individuate le correlazioni più idonee a rappresentare il comportamento di superfici di piccole dimensioni, per le quali gli effetti di bordo si mostrano spesso rilevanti nel determinare l'efficienza dello scambio termico convettivo. I valori del numero di Rayleigh indagati sono compresi nell'intervallo tra 3106 e 2.4109: in queste condizioni, dopo una fase di transizione dal regime laminare, lo scambio termico avviene prevalentemente in regime turbolento. Con lo scopo di individuare la relazione tra il moto del fluido e l'efficienza dello scambio termico, soprattutto in riferimento alla fase precedente l'innesco dell'ebollizione, che nei fluidi dielettrici manifesta caratteristiche del tutto particolari, all'analisi sul comportamento termico di tali superfici è stata associata un'ampia sperimentazione riguardante lo studio del campo di moto che si stabilisce nel liquido sovrastante il disco. L'indagine sperimentale è stata compiuta mediante un sistema anemometrico LDV (Laser Doppler Velocimetry). In particolare sono stati risolti i problemi connessi alla messa a punto della strumentazione e all'impiego di questa metodologia in un ambito di ricerca in cui è stata utilizzata solo in pochissimi casi, nonostante si tratti di una tecnica non intrusiva adatta alla misura di velocità molto basse, tipiche dei fenomeni convettivi naturali. Mediante la misura puntuale e simultanea di due componenti di velocità, per diverse condizioni di scambio termico imposte, in questo lavoro è stata ottenuta una dettagliata descrizione del campo di moto che, nel caso di una superficie circolare, è reso particolarmente complesso dall'interazione tra il flusso parallelo alla superficie, diretto dal bordo verso il centro di essa, e la corrente ascendente che si origina nella regione centrale del disco. Inoltre la rilevazione dei valori istantanei della velocità ha permesso l'analisi della turbolenza del moto lungo la corrente di fluido ascendente e in prossimità della superficie. Con la messa a punto di un sistema per la visualizzazione del moto mediante lama di luce laser, è stato possibile fotografare il flusso di fluido relativo alle diverse condizioni di scambio termico esaminate: sia le visualizzazioni che le misure di velocità hanno fornito indicazioni interessanti circa il verificarsi di fenomeni di ristagno nelle vicinanze della superficie e la formazione di vortici instabili ai bordi della corrente ascendente di fluido caldo. Elementi di novità di questo studio sono pertanto da ritenersi sia la valutazione dell'efficienza dello scambio termico convettivo di superfici di piccole dimensioni e della influenza che la geometria ha sull'entità del coefficiente di scambio, sia la descrizione dettagliata del campo di moto generato in prossimità della superficie scaldante. I valori di velocità misurati e le relative fluttuazioni temporali costituiscono infatti un ottimo strumento per la validazione di codici di calcolo per la simulazione dei fenomeni di convezione naturale in condizioni di scambio termico turbolento, la cui modellizzazione appare spesso complessa soprattutto in presenza di moti che si sviluppano naturalmente.