GEOHEX: Il banco prova per lo scambio termico in ebollizione
Nel progetto GEOHEX uno degli obiettivi più avanzati è stato lo studio del trasferimento di calore in ebollizione, un fenomeno complesso e fondamentale per numerose applicazioni geotermiche e ORC. Per comprendere come i materiali innovativi e i rivestimenti sviluppati dal consorzio potessero migliorare le prestazioni degli scambiatori, Spike ha progettato e costruito un banco prova dedicato all’osservazione diretta dell’ebollizione di fluidi a bassa tensione superficiale su piastre trattate. L’impianto è stato pensato per riprodurre condizioni controllate e analizzare i meccanismi di nucleazione, crescita e distacco delle bolle in funzione della morfologia delle superfici.
Il ruolo di Spike nella progettazione e costruzione del banco
Spike ha realizzato il banco prova seguendo un approccio integrato che ha incluso la progettazione del circuito termofluidodinamico, la definizione delle condizioni operative e l’ingegnerizzazione della camera di ebollizione. Il test rig è stato concepito per lavorare con un flusso di R134a in evaporazione a 35°C, riscaldato da un circuito di acqua calda a 80°C. La configurazione ha previsto la possibilità di osservare il fenomeno attraverso una finestra ottica retroilluminata, soluzione che ha permesso di registrare video utili per analizzare la dinamica delle bolle e identificare gli effetti dei trattamenti superficiali sul comportamento dell’ebollizione.
La camera di ebollizione e l’osservazione ottica
Il cuore dell’impianto è stato un generatore di ebollizione dotato di una finestra trasparente con luce integrata, pensato per mostrare in dettaglio le fasi di formazione delle bolle. La geometria della camera ha permesso di posizionare la piastra trattata al centro del campo visivo, mentre la strumentazione di contorno garantiva il controllo preciso delle pressioni, delle temperature e delle portate. L’obiettivo era osservare la transizione tra ebollizione nucleata e ebollizione a film, fenomeno critico nel determinare la stabilità termica e la sicurezza operativa degli scambiatori di calore.
Strumentazione e condizioni operative del banco prova
Il banco è stato progettato per operare fino a 9 bar di pressione operativa, con una pressione massima di 14,5 bar e una pressione di progetto pari a 16 bar. La strumentazione comprendeva sensori di temperatura, pressione e portata tutti collegati a un PLC per la gestione delle sequenze di avvio, controllo e acquisizione dati. L’impianto è stato inoltre equipaggiato con una struttura modulare che ha permesso di sostituire rapidamente le piastre da testare, consentendo l’esecuzione di campagne sperimentali successive su materiali differenti.
Supporto numerico con simulazioni FEM
Durante la fase di progettazione Spike ha utilizzato Comsol Multiphysics per analizzare il comportamento strutturale della camera di ebollizione in condizioni di pressione elevate. Le simulazioni FEM mostrano la distribuzione delle tensioni e hanno confermato la sicurezza e la robustezza del design adottato. Questo lavoro numerico è stato fondamentale per garantire che la finestra ottica e le flange resistessero alle condizioni operative durante le prove senza compromettere la visibilità o la sicurezza dell’esperimento.
Un contributo essenziale alla validazione dei materiali GEOHEX
Il banco prova per l’ebollizione ha rappresentato un elemento chiave dello sviluppo GEOHEX, poiché ha permesso di studiare l’effetto dei rivestimenti avanzati sulla nucleazione e crescita delle bolle, sulla rimozione del film liquido e sulla stabilità del processo di ebollizione. I dati ottenuti hanno fornito indicazioni essenziali per selezionare i materiali con le migliori prestazioni, contribuendo alla progettazione di scambiatori più efficienti e affidabili per il settore geotermico. L’impianto realizzato da Spike ha quindi svolto un ruolo determinante nel trasferire i risultati della ricerca verso soluzioni applicabili in contesti operativi reali.