Indagine sperimentale della vaporizzazione in condotti realizzati via additive manufacturing: influenza dell'angolo di stampa sulle prestazioni di scambio termico

Il presente lavoro di tesi analizza sperimentalmente il processo di vaporizzazione del refrigerante R1234ze(E) all’interno di condotti orizzontali realizzati mediante manifattura additiva, con l’obiettivo di isolare l’effetto dell’orientazione di stampa sullo scambio termico e di valutare l’applicabilità di modelli predittivi disponibili in letteratura. La campagna sperimentale è stata condotta su tre condotti circolari nominalmente identici, con diametro interno di 5 mm, fabbricati in lega di alluminio AlSi10Mg, mediante Laser Powder Bed Fusion (LPBF) con angoli di stampa di 15°, 30° e 45°. Le prove sono state eseguite a temperatura di saturazione di 30 °C, con portate specifiche comprese tra 50 e 100 kg m⁻² s⁻¹ e flussi termici da 15 a 60 kW m⁻². Le visualizzazioni del flusso bifase, acquisite mediante una telecamera ad alta velocità, hanno evidenziato, all’aumentare del titolo di vapore, una transizione da un regime slug/stratificato ondoso a un regime stratificato ondoso pienamente sviluppato, in accordo con la mappa di deflusso di Wojtan et al. (2005). Per tutti i condotti analizzati, il coefficiente di scambio termico ha mostrato una marcata dipendenza dal flusso termico e una sensibilità limitata alla portata specifica. In particolare, al raddoppiare del flusso termico è corrisposto un incremento del coefficiente pari a circa il 50%, a conferma della prevalenza dell’ebollizione nucleata come meccanismo di scambio termico dominante. L’analisi dei dati ha inoltre messo in evidenza una marcata isteresi termica: a parità di condizioni operative, la superficie attivata ha registrato coefficienti di scambio termico fino al 68% superiori rispetto a quella disattivata. In questo contesto, l’angolo di stampa si è rivelato un parametro determinante per le prestazioni termiche complessive, influenzando sia l'entità dell'isteresi sia il valore assoluto del coefficiente di scambio termico (valutato prima e dopo il dry-out). La sezione con angolo di stampa pari a 15° ha offerto le prestazioni migliori, evidenziando anche il fenomeno di isteresi più marcato; al contrario, la sezione a 30° ha mostrato i risultati peggiori e gli incrementi minori, mentre la configurazione a 45° si è posizionata a un livello intermedio tra le due. Tra i modelli analizzati, Choi et al. (2000) e Thome et al. (2004) hanno mostrato il migliore accordo con i dati sperimentali, con deviazioni medie assolute inferiori al 10%. Nel complesso, i risultati collegano i meccanismi fondamentali dell’ebollizione alle esigenze applicative di progettazione e modellazione di evaporatori realizzati mediante manifattura additiva, evidenziando la necessità di considerare sia l’orientazione di stampa sia la storia termica della superficie.