Influenza degli ultrasuoni sullo scambio termico in monofase e bifase

Nella presente tesi sono riportati i risultati di una campagna di prove sperimentali, volta a chiarire l’influenza degli ultrasuoni nello scambio termico, a pressione atmosferica, in regime di convezione naturale monofase e bifase sia sottoraffreddata che nucleata. La configurazione studiata è stata quella di un cilindro orizzontale, riscaldato per effetto Joule, immerso in acqua distillata: si tratta quindi di una ricerca di base. Sono state indagate, e conseguentemente ottimizzate, le variabili coinvolte nello scambio termico, nel range di variazione consentito dall’apparecchiatura utilizzata. La scelta del fluido di lavoro è ricaduta su un liquido, in quanto il coefficiente di estinzione degli ultrasuoni in aria è quattro ordini di grandezza superiore rispetto a quello in acqua. La frequenza di questi ultimi è imposta pari a 40 kHz. L’effetto di onde acustiche, sia sonore che ultrasoniche, sull’enhancement in liquidi, è stato investigato sperimentalmente sin dagli anni’60: non sono reperibili tuttavia in letteratura lavori di tipo sistematico sull’argomento. Negli ultimi tre anni nel laboratorio di Termofluidodinamica del Dipartimento di Energetica “L.Poggi” è stata intrapresa una campagna di prove per ampliare il campo di indagine relativo ai risultati precedenti. In particolare ci siamo prefissi di valutare l’effetto dovuto alle onde ultrasonore, in condizioni mediamente stazionarie e che garantissero ripetibilità dei risultati, e cioè abbiamo operato in presenza di cavitazione detta “locale”. Gli ultrasuoni generano in un fluido cavitazione “globale”, quando vi è notevole presenza di gas nel fluido, nel caso in cui questo non sia stato opportunamente degasato, e cavitazione “locale”, cioè dovuta al rilascio di bolle gassose intrappolate nelle asperità presenti sulla superficie riscaldata. Il nostro scopo è stato quello di eseguire una campagna di prove sperimentali in assenza di cavitazione “globale”, perché questo fenomeno è transitorio. L’indagine ha investigato diverse variabili coinvolte nello scambio termico, con lo scopo di minimizzare la differenza di temperatura tra cilindro ed acqua, a parità di superficie di scambio, per massimizzare il coefficiente di scambio convettivo. Il flusso termico specifico è stato variato sempre nello stesso range, scelto in funzione di una possibile applicazione pratica. E’ stata modificata la posizione del cilindro, ovvero la distanza dal piano orizzontale passante per il suo asse e la superficie inferiore della vasca, e quella tra il piano verticale passante ancora per il suo asse e la parete frontale della vasca stessa. E’ stato possibile variare la potenza ultrasonica, da 300 a 500W, per ottimizzare la spesa energetica di una possibile tecnica di enhancement, che preveda l’uso di ultrasuoni. Il parametro più significativo è risultato senza dubbio la temperatura del fluido, e dunque il regime di scambio termico adottato: gli incrementi maggiori del coefficiente di scambio termico si sono riscontrati in ebollizione sottoraffreddata. In particolare in tale regime, alla pressione atmosferica, per temperature dell’acqua tra i 65 e gli 85°C, abbiamo riscontrato aumenti medi del coefficiente di scambio intorno al 60%, dovuti probabilmente, viste anche le foto e le riprese effettuate, alla favorevole combinazione di due effetti: l’uno dovuto alla cavitazione “locale” indotta dagli ultrasuoni e l’altro alla presenza massiccia in regime di sottoraffreddamento di bolle di vapore. E’ da specificare però che gli ultrasuoni non inducono turbolenza nel fluido, perché non si assiste alla formazione di vortici, né su micro, né su macro scala. Il range dei valori di flusso termico dissipati per effetto Joule sulla superficie del cilindro sono stati da noi scelti, come prima accennato, in base ad una futura applicazione pratica: dopo aver passato in rassegna diversi lavori sui problemi di raffreddamento in particolari componenti elettronici di ultima generazione, è sembrata una buona soluzione l’uso di un sistema di raffreddamento ad ultrasuoni. Questi componenti microelettronici, chiamati “3D packaging systems”, sono al momento ostacolati nel loro sviluppo da problemi di origine termica: essi infatti devono smaltire ingenti quantità di flussi specifici, ma al contempo hanno dei limiti, legati al materiale, nel raggiungimento di temperature ”critiche”, oltre le quali si formano “hot spots” sulla loro superficie ed ha origine il loro deterioramento irreversibile. Per questo motivo i valori di flusso dissipato dal nostro riscaldatore sono stati scelti proprio pari a quelli che i 3D packaging systems devono smaltire, e cioè nell’ordine di grandezza tra 10^4e 10^6 W/m^2. Visti i notevoli risultati da noi ottenuti, anche se a livello di ricerca di base, le onde ultrasoniche potrebbero contribuire ad un più rapido sviluppo di tali sistemi. This thesis concerns the use of the ultrasounds in the heat transfer field. It is a basis research, which it could be applied in the last generation electronic components cooling. At the beginning, a literature review on this subject was reported. The ultrasounds influence on the heat transfer rate was observed since ‘60s: different authors had studied the cooling effect due to the ultrasonic waves at different heat transfer regimes, especially from a thin platinum wire to water. Moreover, it was carried on a bibliographic research on the possible practical application of ultrasounds, especially focusing on the cooling of 3D highly integrated electronic components. In fact, for these systems the thermal problem is a critical challenge, because they don’t have to exceed critical temperatures, after that they could damage irreversibly, and, on the basis of our experimental results, the ultrasounds could represent a valid means to get over these thermal problems. A series of experiments was carried out in the Thermal-Fluid- Dynamic Lab at Energetics Department “L. Poggi” of University of Pisa, to make clear systematically the effects of ultrasonic waves, at the frequency of 40 kHz, on the heat transfer, from a heated circular cylinder to water, at atmospheric pressure, in single phase free convection and in subcooled and nucleate pool boiling. Many variables involved in the heat transfer augmentation were tested: the ultrasonic generator power, the placement of the heater inside the ultrasonic tank, the different subcooling degrees, in function of the heat flux per unit surface needed dissipating. The aim was to find out the set of optimal conditions, in order to apply successively all the results to a real packaging system. The maximum increase in the heat transfer coefficient due to the presence of ultrasonic waves was 57%, in subcooled boiling conditions.