Introduzione

Nelle precedenti pubblicazioni abbiamo visto il modo in cui è possibile scomporre geometricamente un progetto, ed il modo in cui è possibile studiare ed analizzare la propagazione del calore. Infatti, se ben studiate e concepite, queste due nozioni vi permetteranno di approfondire lo studio del funzionamento degli scambiatori di calore denominati come waterblock. Quindi, prima di procedere alla lettura del presente articolo, vi invitiamo a leggere con attenzione i due articoli precedenti, in quanto riteniamo necessario sottolineare che costituiscono le fondamenta di base o perlomeno le premesse necessarie per l'approfondimento degli studi in situazioni complesse.

Dunque, i concetti che analizzeremo nel presente articolo, si baseranno sulla scomposizione di un progetto e sulla propagazione del calore. Lo scopo della presente pubblicazione è quello di fornirvi gli esempi reali e le informazioni necessarie per capire l'esatta utilità di queste teorie e sperimentazioni. Per far sì che tale cosa sia possibile, abbiamo pensato di proporvi una piccola parte dei nostri studi che riguarda alcuni progetti che abbiamo sviluppato e/o che abbiamo volutamente sperimentato. Le informazioni contenenti in questa serie di progetti sono le seguenti:

• propagazione del calore sul piano orizzontale
• propagazione del calore sul piano verticale
• area della superficie bagnata
• area della superficie totale
• curve del calore (prima e seconda)
• curva della massima espansione teorica
• determinazione del passaggio di calore dalla base al coperchio
• differenze sulla velocità dello scorrimento del liquido
• diversi tipi di confronti teorici
• richiamo dell'algoritmo matematico
• scomposizione del progetto

 

Confronto waterblock: 4 Vs 5 Vs 6 canaline

La prima situazione che esamineremo, sarà quella di confrontare i progetti dei classici scambiatori a quattro, cinque e sei canalizzazioni a passata unica. Abbiamo deciso di mostrarvi in particolare questo tipo di progetti in quanto due di essi sono stati commercializzati dai nostri concorrenti nel recente passato. In particolare il waterblock a quattro canalizzazioni a basse portate è stato ideato dal sottoscritto all'inizio del 2001, ed il waterblock a cinque ed a sei canalizzazioni sono stati abbandonati sempre dal sottoscritto nello stesso periodo durante le fasi della sperimentazione. Il Block a cinque canalizzazioni, serve per fare da tramite, dato che come vedremo in seguito ci aiuterà a capire meglio se sarebbe potuto essere un progetto alternativo o sarebbe stato meglio escluderlo. Si precisa che i progetti da noi esaminati, potrebbero differire leggermente rispetto quelli della concorrenza, ma lo scopo della presente analisi è di rendere chiarezza sul perchè è stato deciso di proseguire su diverse scelte progettuali.

Innanzitutto riteniamo indispensabile definire l'algoritmo matematico e le dimensioni dei materiali. Si precisa inoltre che per poter avere un confronto realistico abbiamo deciso di basare lo sviluppo di ogni singolo progetto sull'algoritmo matematico più comune che era stato usato all'epoca e di conseguenza variare semplicemente la geometria trasversale di ogni singolo progetto. La sezione trasversale di ogni canalizzazione quindi sarà pari a trentadue (32 +/- 0.5) unità e le dimensioni esterne saranno definite da una base di 50 x 50 x 10mm ed un coperchio pari a 50 x 50 x 5mm. Volendo, è facilmente possibile estendere lo studio anche a block di dimensioni maggiori, ma per il momento ci limiteremo a studiare le classiche versioni cercando di ottimizzarle al meglio possibile.

Cliccando sulla seguente immagine, oltre il primo confronto dei tre progetti, potrete leggere le spiegazioni necessarie ed i calcoli più significativi.

Le considerazioni da questo primo confronto che analizza semplicemente le superfici di contatto sono le seguenti:

• Per quanto riguarda la sezione trasversale: la superficie bagnata del block a quattro canaline risulta minore del 25% rispetto il block a cinque canaline e del 50% rispetto al sei canaline. Il block a quattro canaline ha una massa dissipante solida maggiore del 20.78% rispetto al block a sei canaline e del 9.42% rispetto al block a cinque canaline. Infine il block a quattro canaline ha un perimetro bagnato minore del 42.5% rispetto al block a sei canaline e del 20.83% rispetto al block a cinque canaline.

• Per quanto riguarda la pianta: la superficie bagnata del block a quattro canaline risulta minore del 1.81% rispetto il block a cinque canaline e del 8.51% rispetto al sei canaline. Il block a quattro canaline ha una massa dissipante solida maggiore del 14.75% rispetto al block a sei canaline e del 11.04% rispetto al block a cinque canaline. Infine il block a quattro canaline ha un perimetro bagnato minore del 41.94% rispetto al block a sei canaline e del 14.17% rispetto al block a cinque canaline.

Si precisa che: una delle cose più importanti nell'ambito degli scambiatori di calore è il perimetro bagnato o la superficie bagnata, ovvero la superficie totale dove avverrà lo scambio termico tra il materiale solido (metallo) ed il liquido circolante (l'acqua). In parole povere: maggiore sarà il perimetro bagnato, più scambio termico ci sarà, e di conseguenza maggiori saranno le performance finali ottenute.

Purtroppo signori questa è solo una semplice illusione! Infatti c'è qualcosa che non è stato considerato, è sarà proprio questo particolare che si comporterà da collo di bottiglia e di conseguenza a sua volta regolerà le performance degli scambiatori in esame.

 

Cliccando sulla seguente immagine, oltre il confronto dei tre progetti riguardo la propagazione del calore, potrete leggere le spiegazioni necessarie ed i calcoli più significativi.

Le considerazioni da questo confronto che analizza le distanze medie dei condotti e la velocità dello scorrimento del liquido circolante all'interno della canalizzazione di ogni singolo scambiatore sono le seguenti:

• Per quanto riguarda la sezione trasversale: l'unico scambiatore che permetterà un maggiore e diretto passaggio del calore dalla base al coperchio è il quattro canaline. Infatti, è lampante che la disposizione geometrica delle canalizzazioni degli scambiatori restanti, non permettono che tale passaggio avvenga in maniera significativa ma, al contrario, lo limitano.

• Per quanto riguarda la pianta: il tempo di rimanenza del liquido nel block a quattro canaline è minore del 23.32% rispetto il block a cinque canaline, e del 47.72% rispetto il block a sei canaline e quindi sotto questo punto di vista il block a quattro canaline risulta molto più veloce. Per poter arrivare a questa conclusione abbiamo fissato la portata volumetrica reale a 150lt/h e ci siamo basati sulla distanza media che deve percorrere il liquido circolante all'interno del corpo di ogni singolo scambiatore. Infatti a calcoli fatti si avrà che il tempo medio di percorrenza totale sarà pari a 0.1385, 0.1708 e 0.2046 secondi rispettivamente per i block a quattro, cinque e sei canaline.

Si sottolinea che la determinazione di questi dati, ci potrebbe fornire alcune informazioni utili riguardo la turbolenza e l'eventuale saturazione delle molecole del liquido circolante.

 

Infine la seguente immagine mostra il nostro studio riguardo le varie fasi della diffusione del calore in determinati intervalli di tempo e direttamente dipendenti dalla geometria bidimensionale di ogni singolo progetto. Lo scopo della seguente immagine quindi, è quello di farvi capire quanto sia importante lo studio e la scomposizione della sezione trasversale di ogni singolo scambiatore durante la fase della sua progettazione.

Le considerazioni da questo confronto sintetico che analizza le diverse espansioni del calore sono le seguenti:

• La geometria delle quattro canalizzazioni favoriscono la diffusione del calore e permettono un elevato passaggio di calore dalla base al coperchio.

• La geometria delle cinque canalizzazioni non favoriscono in alcun modo significativo il passaggio di calore dalla base al coperchio.

• La geometria delle sei canalizzazioni pone troppi limiti e quindi non si può dire che favorirebbe in modo significativo il passaggio di calore dalla base al coperchio.

• Il block a quattro canaline si trova in netto vantaggio per quanto riguarda la diffusione del calore rispetto i block rimanenti, infatti riesce ad avere risultati migliori sulle curve dell'espansione del calore e più precisamente del 77.78% sulla prima e 16.78% sulla seconda rispetto al block a cinque canaline e del 134.69% e 47.08% rispetto il block a sei canaline.

Infatti è proprio per i motivi sopraelencati che vi avevamo anticipato a questa pubblicazione che all'epoca è stato abbandonato lo sviluppo di un waterblock a sei canalizzazioni, denominato come "Moltecurve.jpg".

 

Verdetto

Per quanto ci riguarda, il vincitore assoluto è il block a quattro canaline, sia per quanto riguarda la sezione trasversale, che per quanto riguarda la pianta. La risposta è perchè favorisce il passaggio del calore dalla base al coperchio e di conseguenza ci garantisce un effetto buffer attivo molto maggiore. Oltre alla valutazione dell'effetto buffer, esiste anche la valutazione della superficie totale di scambio, in quanto essa è il fattore che potrebbe determinare le prestazioni di raffreddamento globale di ogni singolo scambiatore. Purtroppo siamo costretti ad usare la forma condizionale perchè, come vi abbiamo accennato poco sopra, potrebbe esserci un piccolo particolare non considerato, dandoci l'illusione che un determinato progetto possa risultare migliore o peggiore rispetto al progetto dato.

La cosa dunque che a nostro avviso è riuscita ad illudere la maggioranza degli progettisti a livello internazionale è la seguente: la differenza tra la superficie di scambio totale e la superficie di scambio attiva.

Adesso siamo sicuri che ci chiederete che differenza potrà mai esserci fra queste due frasi. La risposta signori, che si trova sull'utilità dell'effetto buffer sotto determinate condizioni, è la seguente: se il calore non si espanderà in modo tale da poter raggiungere al massimo possibile la superficie totale bagnata, è praticamente impossibile arrivare al 100% delle potenzialità di scambio termico e quindi è al quanto impossibile pretendere di avere un scambiatore che funzioni relativamente e ragionevolmente in condizioni ottimali dandoci il massimo delle sue performance.