Laboratorio di Tecnica del Freddo

Sede: P.le Tecchio 80, corpo arretrato, 80125 Napoli
Responsabile del laboratorio: prof. Rita Mastrullo, rita.mastrullo@unina.it

Settori di riferimento

L’attività svolta si rivolge ai settori industriali della climatizzazione, della refrigerazione domestica e commerciale, al fine della valutazione sperimentale delle prestazioni termo-idrauliche di scambiatori di calore e della qualificazione statistica dei metodi di calcolo utilizzabili nella progettazione, al fine dell’ottimizzazione termo-economica dei componenti.

Scambiatori di calore tipicamente utilizzati nei settori della climatizzazione e refrigerazione: scambiatori di calore a tubi e mantello (sx)</br>e batterie alettate (dx)

L’attività sperimentale può essere eseguita anche su geometrie innovative di tubi e sui nuovi refrigeranti compatibili con le più recenti restrizioni imposte in attuazione del Regolamento Europeo F-Gas, laddove la capacità predittiva dei metodi di calcolo esistenti risulta essere poco accurata.

Misure effettuabili

Nel Laboratorio di Tecnica del Freddo è disponibile un apparato sperimentale per la valutazione del coefficiente di scambio termico e delle perdite di carico per flussi bifasici confinati all’interno di condotti.

Condizioni operative

L’impianto sperimentale, riportato in Figura 2, può essere utilizzato per tutti i fluidi refrigeranti impiegati nei settori della climatizzazione e refrigerazione: HFC e miscele (R134a, R245fa, R32 R410A, R404A,…), HFO e miscele (R1234yf, R1234ze, R452A…), HC (R290, R600a…). Ulteriori fluidi di lavoro possono essere considerati.

Foto dell’apparato sperimentale (sx) e schema di impianto (dx) con relativi parametri di controllo e punti di misura

Possibili temperature di saturazione: Tsat: -10/+80 °C
Flussi di massa investigabili: G: 50-700 kg/m2 s
Flussi termici imponibili: q: 0-120 kW/m2
Diametri interni del tubo: d ≤ 8 mm

Sezione di prova

Sezione di test per la misura del coefficiente di scambio termico e delle perdite di carico con le principali elementi caratteristici

Controllo della stabilità delle prove e qualità delle misurazioni

I principali parametri operativi vengono controllati da remoto tramite un’interfaccia utente appositamente creata in ambiente Labview (si veda la figura), da cui è possibile monitorare e condizionare il valore delle grandezze di interesse.

Interfaccia utente sviluppata tramite il software Labview

L’acquisizione dei dati sperimentali è permessa solo nel caso in cui l’incertezza estesa di ogni variabile, calcolata in real-time, non superi un valore di soglia. Questa procedura permette la costruzione di database sperimentali di elevata qualità. Tipici valori dell’incertezza di misura dei parametri operativi e dei risultati sono: Temperatura di saturazione: ±0.07 °C , Flusso di massa: ±1.5 %, Flusso termico imposto: ±0.70 %, Coefficiente di scambio termico: ±10 %, Perdite di carico: ±1%
Un esempio dei risultati ottenibili è disponibile in figura: l’efficienza dello scambio termico ed il gradiente di pressione sono analizzati in funzione dei parametri operativi di interesse (flusso termico q, flusso di massa G, temperatura di saturazione Tsat e titolo di vapore x)

Alcuni risultati ottenibili: Effetto del flusso termico imposto sul coefficiente di scambio termico medio per il propano (sx).</br>Effetto del flusso di massa sul gradiente di pressione adiabatico per il refrigerante R134a (dx)

Assessment dei dati sperimentali

I dati sperimentali relativi al coefficiente di scambio termico ed alle perdite di carico vengono confrontati con i valori attesi utilizzando le correlazioni disponibili in letteratura scientifica (si veda esempio in figura). Il calcolo dei principali parametri statistici (come ad esempio: Errore Medio Assoluto MAE ed Errore Medio Relativo MRE) stabilisce quale metodo predittivo riesce ad interpretare meglio il trend sperimentale e può quindi costituire un valido strumento di progettazione.

Confronto dei dati sperimentali con alcuni metodi predittivi. Metodo di Wojtan et al. e Bertsch et al applicato al fluido R134a (sx).</br>Analisi statistica del metodo di Wojtan et al. applicata su dati sperimentali del fluido R134a (dx)

Calibrazione ad-hoc dei modelli predittivi

Le correlazioni esistenti vengono infine modificate e ricalibrate grazie ai dati sperimentali acquisiti, al fine di aumentare le loro performance predittive. Un esempio è mostrato in figura.

Confronto tra i dati sperimentali e la correlazione di Wojtan et al.</br>originale (in verde) e modificata (in rosso)

Caratterizzazione delle prestazioni e modellazione di frigoriferi di piccola taglia

Condotti esperimenti in regime stazionario ed in transitorio su macchine frigorifere e pompe di calore di piccola taglia, descrivendo le prestazioni dei singoli componenti (compressori, scambiatori di calore, organo di laminazione e cella) tramite la calibrazione di modelli sviluppati ad hoc.

Abbattitore di temperatura e sistema di monitoraggio parametri Mappa della conduttanza totale UA in funzione delle portate volumetriche di aria e refrigerante (sopra). Mappa</br>delle prestazioni globali in funzione del rapporto di compressione e del numero di giri adimensionalizzato (sotto)

Misure di conducibilità termica a regime stazionario per materiali prodotti con additive manufacturing

Valutazione sperimentale della conducibilità termica di materiali innovativi prodotti tramite la tecnica di additive manufacturing, per i quali le proprietà termofisiche (calore specifico, densità…) sono ignoti.

Range di conducibilità misurabili: 1≤k≤100 W/m K

Temperature di esercizio: 5≤T≤150 °C

Incertezza sulla misura di k: u(k)≤5%

Rappresentazione 3D del prototipo sperimentale per la valutazione della conducibilità termica di materiali</br> innovativi (sopra). Esempio di valutazione numerica del campo di temperatura nel prototipo (sotto)