Generalità delle problematiche

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Sebbene i meccanismi di ebollizione siano stati largamente e lungamente investigati in condizioni di gravità terrestre, la comprensione dell’ebollizione, specie in convezione forzata, in condizioni di microgravità è molto scarsa. In particolare, in convezione forzata, la dimensione delle bolle in condizioni di microgravità tende ad essere più grande di quanto non siano a gravità terrestre, in quanto il distacco della bolla dalla parete scaldante è dovuto alla sola forza di trascinamento per l’ovvia assenza della spinta di galleggiamento. È del tutto evidente che la diversità di comportamento tra gravità terrestre ed assenza di gravità tenderà a diminuire al crescere della velocità del fluido. Infatti, ad alte velocità, la forza di trascinamento sarà predominante rispetto alla forza di galleggiamento finendo con il rendere ininfluente quest’ultima (e quindi ininfluente l’effetto della gravità) nel bilancio delle forze che governa il distacco della bolla dalla parete scaldante e conseguentemente il suo diametro. La conoscenza di questi limiti di velocità (velocità di soglia), che dipende anche dalla geometria delle tubazioni e dalla quantità di vapore presente, è fondamentale per l’eventuale progettazione di un sistema in condizioni operative a gravità zero, ovvero per rendersi conto che l’assenza di gravità richiede una progettazione basata sulle conoscenze della fenomenologia dell’ebollizione in microgravità.

La maggiore dimensione delle bolle, qualora il sistema operi con una velocità del fluido refrigerante inferiore a quella di soglia, può dar luogo a coalescenza di bolle che a sua volta può ritardare la ricondensazione del vapore nel fluido. Questo può avvenire nei sistemi in ebollizione sottoraffreddata (molto comuni per la loro elevata efficienza termica), ovvero caratterizzati da una temperatura media del fluido refrigerante inferiore al valore di saturazione, ma localmente, sulla parete scaldante, con una rilevante attività di ebollizione. Ciò dà spesso luogo ad una degradazione delle prestazioni termiche, fino all’insorgere della crisi termica, che rappresenta il parametro limitante di questi sistemi di raffreddamento, e la cui insorgenza interrompe l’efficacia del sistema di refrigerazione, con tutte le conseguenze relative, inclusa la possibile rottura per surriscaldamento termico dei materiali da raffreddare.
La diversa dimensione delle bolle, inoltre, ma anche la diversa forma (in assenza di gravità le bolle si muovono alla stessa velocità risultando abbastanza sferiche, mentre a terra le bolle si muovono più velocemente del liquido tendendo a schiacciarsi a forma di testa di fungo), dà luogo ad una diversa distribuzione delle due fasi che comporta prestazioni diverse dal punto di vista dello scambio termico. Una corretta conoscenza della distribuzione delle due fasi (flow pattern) è essenziale ai fini di una corretta predizione dello scambio termico, delle perdite di carico e della definizione delle prestazioni del sistema di trasferimento del calore.
Allo stato attuale le conoscenze di quanto riportato sopra (velocità di soglia, flow pattern, scambio termico, crisi termica, perdite di carico etc.) sono molto limitate per l’ebollizione in convezione forzata (il metodo più efficace di refrigerazione). I pochi risultati disponibili sono molto sparsi e soprattutto contraddittori. Ciò è dovuto alle ridotte opportunità disponibili per effettuare prove di ebollizione in convezione forzata alla difficoltà di gestire un esperimento con circolazione di fluido nelle condizioni di microgravità, alle ridotte disponibilità di potenza termica, di spazio e di peso nelle varie facilities sperimentali, al costo elevato di tali ricerche.