Riassunto analitico
Il calcolo del coefficiente di scambio termico tra due o più corpi che partecipano ad uno scambio di calore è da sempre uno dei temi più importanti del settore ingegneristico. A causa dell’ assenza di metodi di calcolo precisi e delle condizioni incerte che si sviluppano durante uno scambio termico, una stima accurata dell’ HTC risulterà sempre difficile. Con questo lavoro si vuole presentare un modello semplificato di scambio termico, dove si affronterà il calcolo dell’ HTC tenendo conto delle caratteristiche dei materiali, delle dimensioni e delle temperature in gioco. Tale modello si svilupperà in analogia termica-elettrica sfruttando la legge di Ohm che regola i circuti elettrici. Il caso esposto è quello di due materiali a contatto, che presentano gioco nullo o comunque leggera interferenza, che vengono riscaldati da due sorgenti di temperatura esterna.
Verrà, poi, presentato un modello a parametri concentrati che permetterà di eseguire un controllo di temperatura sinusoidale sul software MAGMA.
Verrà, infine, illustrata la realizzazione di un prototipo per il controllo della temperatura, che servirà in una futura analisi di laboratorio, per la riproduzione delle condizioni di scambio termico richieste dalla sorgente di temperatura esterna. Tale prototipo realizzato con attrezzatura reperita sul web può essere considerato come una buona base di partenza per un controllo di temperatura più avanzato.
Il lavoro, nel suo insieme, consta di 9 capitoli principali.
Il primo spiega brevemente l’ importanza dell’ HTC nel mondo dell’ ingegneria e in particolar modo nella colata in fonderia.
Il secondo definisce cosa si intende per coefficiente di scambio termico (HTC), quale relazione c’è tra l’ HTC e la resistenza di contatto Rc e quali sono i valori tipici a seconda delle caratteristiche dei materiali a contatto.
Il terzo illustra l’ importanza e l’ utilizzo dell’ analogia termica-elettrica e presenta alcune teorie elettriche e meccaniche per il calcolo della resistenza di interfaccia tra due materiali.
Il quarto presenta il modello studiato in questo lavoro e quali sono i dati fisici di realizzazione.
Il quinto illustra il modello, riproposto da problema termico a problema elettrico, grazie all’ analogia termica-elettrica. Viene proposto il calcolo della resistenza di interfaccia tra l’ aria ambiente e il materiale e quello della resistenza di interfaccia tra i materiali. Infine, si illustra il calcolo delle curve di temperatura, eseguito tramite software MATLAB, suddividendolo in due parti: calcolo in regime stazionario e variabile.
Nel sesto viene presentato il software MAGMA e come è stato ricostruito il modello grazie al CAD interno al software. Viene approfondito il concetto di inerzia termica per il calcolo di un modello a parametri concentrati. Infine viene illustrato il metodo di ottimizazzione inversa tramite algoritmi genetici per un futuro confronto tra le curve di temperatura simulate e misurate.
Nel settimo viene presentato come elaborare un controllo di temperatura sul modello. Vengono descritte le resistenze riscaldanti e le termocoppie idonee per svolgere questo compito.
Nell’ ottavo si illustra come è stato svolto il controllo di temperatura richiesto dalla consegna. Vengono presentate l’ uso del software open-source Arduino, la componentistica elettronica e il suo assemblaggio. Viene, poi, accennato il funzionamento dei controllori PID. Infine, è riportata la scrittura del codice in ambiente Arduino per il funzionamento del circuito e dei rispettivi moduli ed infine vengono presentati i risultati ottenuti e le diverse difficoltà incontrate nel controllo.
L’ ultimo capitolo illustra quali risultati sono stati raggiunti, possibili miglioramenti e sviluppi futuri per un’ analisi sperimentale da eseguire in laboratorio.
|