RIcerca-LAboratorio 

Lab & Research 

La ricerca si sviluppa seguendo l'approccio sperimentale, analitico e numerico, come descritto in seguito in maggior dettaglio. In particolare si segnala i processi avanzati di essiccamento/riscaldamento a microonde con controllo innovativo della temperatura basato sulla termografia IR.

Concerning research activities, the objective of the HTG is to characterize the thermal behaviours of engineering systems. Research themes are developed following both the experimental approach and the analytical one; the latter scope is catched by numerical and approximate analytical tools. Particular relevance is actually given to advanced processes of drying / heating foods by microwave heating with innovative temperature control based on IR thermography. Up to now more than 90 papers have been published both in national and international scientific journals as well as a great amount of graduate and doctoral thesis works. Members of the laboratory have common projects with researchers of other research units inside and outside the University of Salerno.

cogenerazione

boiler for micro-cogeneration

alcune attività

some activities

Principali temi - Main subjects

desidero fare l'orale di TC

Il laboratorio offre diversi "tool" per la misura di grandezze termofluidodinamiche, tra cui termografia IR a SW e LW.
In particolare, per la temperatura può produrre predizione analitica, anche mediante metodi approssimati. E' possibile la caratterizzazione numerica del campo di temperatura per problemi non lineari o geometrie complicate facendo ricorso ad un avanzato codice FEM Multiphysics.
Si segnala in particolare che il laboratorio è stato recentemente certificato da ITALCERT in conformità alla UNI EN ISO 9001 per la misura della conduttanza termica di infissi in accordo alla norma UNI 10077. Parimenti è in grado di effettuare valutazioni della conduttanza termica per i materiali da costruzione secondo UNI 1745 (UNI 10355).

As well as our current research projects, the HTG offers consultancy services in research, analysis testing, business development, expert witness and problem solving. From routine analysis and troubleshooting to advanced experimental and theoretical research, work can be done to provide results and answers tailored to the specific needs at hand. The HTG offers several "tools" both for short and long term consultancy programmes in the heat transfer field; in particular, measuring parameters involved in thermofluidodynamics problems is allowed; moreover, numerical characterization of the temperature field for nonlinear problems or complex geometries is obtained by means of an advanced FEM Multiphysics code. It is tu underline that the laboratory was recently certified by ITALCERT in accordance with the UNI EN ISO 9001 for measuring the thermal conductance of windows frameworks complying with the european EN UNI 10077. Likewise, it is able to carry out evaluations of the thermal conductance for construction materials according to UNI 1745 (UNI 10355). Infrared thermography measures are allowed by an advanced LW based computer aided thermography system.

Effetti termici nei contatti striscianti -  thermal effects in dry slyding contacts

La caratterizzazione termica nei contatti striscianti è di primario interesse ingegneristico sia in relazione allo sviluppo dei fenomeni di attrito che in riferimento alle condizioni di stress termo-meccanico del dispositivo (freni). La ricerca propone una fase teorica, in cui è messo a punto un modello analitico che presenta una soluzione in forma chiusa per il campo di temperatura 2D instazionario ed una successiva fase sperimentale finalizzata alla validazione del modello. Lo schema di base ha previsto una sorgente, mobile con velocità costante, atta a riscaldare un solido d'altra parte raffreddato convettivamente-radiativamente.  Successivamente, è stata messa a punto una procedura per la stima del massimo salto di temperatura nei contatti striscianti a secco basata sul modello analitico. Avendo introdotto nel modello analitico un parametro, "engagement", che tiene conto della distribuzione di energia all'interfaccia di contatto, dovuta ad esempio ad effetti di impuntamento o a difetti di accoppiamento tra le superfici, si è stati in grado di prevedere, con soddisfacente accuratezza, l'andamento delle temperature al variare della velocità di strisciamento, della forza di chiusura e dei materiali in contatto.

During the last decades, in order to clarify the coupled thermal and frictional aspects in dry sliding contacts, researchers have been involved in theoretical models as well as in experimental testing. In order to outline both the analytical and the experimental approach, a procedure for estimating the maximum temperature increase in dry sliding contacts is introduced. The procedure is based on an analytical solution for the two-dimensional temperature field in a slab subjected to a suitably shaped moving heat source. Experiments were carried out on a specifically designed pin-on-disk device with the aim of taking into account the unavoidable uneven friction distribution under the coupled surfaces. The subsequent data reduction led to quite satisfactory agreement with analytical predictions and provided a suitable shape for the heating source distribution thus allowing for proper maximum temperature rise estimate. Since measuring the interface temperature of a friction pair is a difficult task, temperature data were collected by means of infrared thermography; this technique seems to be the most effective and valuable due to its ability of performing continuous temperature map recording with relatively high resolutions when compared to other traditional methods. It is a matter of facts that high energy rates are dissipated by friction during short periods, thus transient and localized thermal phenomena with high thermal gradients are to be expected. The latter conditions still suggest the use of IR thermography.

 

Risposta termica di corpi soggetti al riscaldamento a microonde - thermal response in microwave heating of foodstuff

La ricerca, finalizzata allo studio degli aspetti termici nei processi di pastorizzazione propri dell'industria alimentare, ha perseguito due obiettivi distinti: uno teorico ed uno sperimentale. Sul piano teorico si è approntato un modello analitico per la determinazione del campo di temperatura in una tubazione in cui scorre un fluido in moto laminare soggetto all'azione delle microonde. Il problema esaminato e' una estensione del problema di Graetz, in riferimento alle condizioni al contorno e alla presenza di generazione di energia dovuta alle microonde. Le condizioni al contorno prevedono flusso termico alla parete linearmente dipendente dalla temperatura; sono così recuperati i casi limite di temperatura e flusso costante alla parete. Il campo di temperatura è stato risolto analiticamente con un metodo approssimato, seguendo l'approccio dei residui pesati. I profili di base per la velocità e la temperatura sono stati assunti si' da recuperare le soluzioni asintotiche di Levegue, nella regione di imbocco e di campo termofluidodinamico completamente sviluppato e, per la linearità del problema, si è utilizzata la tecnica delle soluzioni parziali. Della due soluzioni una si fa carico della non omogeneità sulla condizione all'imbocco, l'altra invece della non omogeneità nell'equazione differenziale. Il termine di generazione è stato, in una prima fase, assunto uniforme, mentre successivamente è stato assunto dipendente dalla temperatura in maniera lineare. Sul piano sperimentale, il modello analitico è stato validato con l'aiuto di un impianto pilota il cui controllo innovativo è basato sulla termografia IR. L'analisi dei dati sperimentali ha messo in evidenza la necessità di utilizzare, per una appropriata descrizione modellistica, proprietà del fluido variabili con la temperatura per tener conto del diverso grado di assorbimento delle microonde, sensibile anche in poche decine di gradi al livello termico.  I risultati ottenuti si raccordano soddisfacentemente con quelli previsti dal modello.

The drying process is intended to remove water from foodstuff in order to prevent some biochemical spoilage and chemical alterations thus prolonging shelf-life while realizing space and weight saving. Since it is widely recognized that it takes a long time to obtain dried products both for processes performed in open and hot air conditions, microwave (MW) processing is proposed as an efficient technique for moisture removal. It has been widely demonstrated that microwave processing considerably lowers thermal transients and hence drying periods thus being cheapest than traditional processes without substantially affecting the quality of products. Of course, In spite of their unique advantages some critical points arise when performing microwave heating: from a theoretical point of view, the complex prediction of the electromagnetic field and its interaction with the samples under test is to be cited; from an experimental point of view, difficulties are encountered in temperature readout and control whereas traditional probes fail and uneven temperature patterns arise. In such a connection, a number of studies have been conducted to improve microwave drying by investigating the effects of different microwave power levels and drying temperatures while different prediction models have been established. Due to the difficulties outlined before, typically, a fixed microwave power level density is applied throughout the entire drying process without performing temperature control. In such situations, depending on the power density level, it is widely demonstrated that product overheating can occur as much as the process goes on thus leading to charring and unsatisfying product final quality. Optical temperature detections allowed to assess that temperature must be controlled. However such procedure is seldom reported in the literature and, on the other hand, the number of firms involving industrial MW drying is slowly increasing.  Furthermore, numerous methods have also been proposed to achieve adequate temperature homogeneity in many industrial MW heating processes, such as combined heating, changing food composition and using active packages like shields and susceptors.  In addition, using mode stirrers and turning tables are widely accepted to enhance heating uniformity,  although, no specific criteria have been defined probably because of the complex non-linear coupled physics governing microwave heating, but more significantly because different kinds and shapes of foods need different specifications. In facts, only few works have been found aiming to quantify the extent of uniformity of heating contributed by the rotation of the turning table and/or of the mode stirrer. To address the problem, a new microwave drying system was developed which can automatically and continuously adjust the power levels by acting on the magnetron duty cycle time in order to control the product temperature. The signal for realizing feedback temperature control was obtained looking inside the illuminated MW chamber by an IR temperature equipment rather than using (few) optical probes. IR thermography allowed to detect the instantaneous maximum temperature among the apple slices distributed randomly on the turning table. Then the feedback signal was no more related to a single arbitrarily chosen slice inside the MW chamber but to the actual hottest one, avoiding that the temperature control position could affect the drying process. Furthermore, it is to remark that looking inside the chamber while heating process takes place  allows to measure the uneven temperature distribution featuring instantaneously the apple slices. This occurrence could enable to clarify the exact role of both the turning table and the mode stirrer in improving heating uniformity, therefore enabling a proper choice for selecting their rotation speed. 

 

Scambio termico in processi industriali di polimeri fusi

L'obiettivo di questa ricerca è ripartito in due punti essenziali: 1) ricavare il campo termofluidodinamico in film di polimeri fusi ottenuti per estrusione piana e confrontarne i risultati con rilievi sperimentali termografici; 2) caratterizzare il comportamento dinamico dei polimeri nei processi di estrusione piana o in bolle. Un modello semplificato del problema relativo all'estrusione piana conduce ad un set di equazioni differenziali non lineari nelle incognite : temperatura, velocità, spessore e larghezza del film; le condizioni al contorno sono fissate sia alla uscita del film dall'estrusore che nella sezione di contatto del film sul rullo di raccolta. Un metodo iterativo di bisezione e uno schema di Runge-Kutta del quarto ordine permettono la integrazione delle equazioni differenziali. Le prove sperimentali sono state condotte su due polimeri termoplastici, PET e PP, i quali presentano differente comportamento reologico e cinetica di cristallizzazione. Le prove sono state eseguite variando le condizioni di lavoro dell'impianto. Il confronto tra i dati sperimentali rilevati con il Termografo ed i risultati teorici, ha evidenziato discrepanze apprezzabili nelle temperature, specie nel PP, imputabili ad irregolarità sul processo di trafilatura che si traducevano in spessori imprevisti in sede di modellazione. D'altra parte la termografia, con opportuni accorgimenti, ha dimostrato di poter essere una utile tecnica di controllo del processo. 

 

Scambio termico radiativo in materiali semitrasparenti

La ricerca ha riguardato la caratterizzazione del campo radiativo in materiali semoitrasparenti ed è stata condotta avendo in mente il controllo termografico in operazioni di processi industriali di polimeri fusi. Infatti se da un lato la termografia si presta per le sue caratteristiche intrinseche alla misura, dall'altro nasce come tecnica di misura per materiali opachi alla radiazione dove il fenomeno è tipicamente superficiale. Comportandosi i polimeri fusi come materiali semitrasparenti, parte della radiazione che giunge sul sensore è dovuta ad emissione sub superficiale. Si prospetta pertanto la necessità di caratterizzare lo scambio radiativo che coinvolge il materiale semi trasparente e di correlarlo alla lettura termografica. Lo scopo è stato perseguito ricorrendo alla equazione di bilancio locale dell'energia radiativa per mezzi dielettrici corredata di opportune condizioni al contorno. Quindi si è valutata in particolare la radiazione che lascia il corpo noto il suo spessore e le sue proprietà radiative spettrali mostrando il significato della lettura termografica di tale radiazione ed introducendo il concetto di temperaura superficiale apparente.

 

 

Scambio termico nelle regioni di ingresso per moto in condotti

Il problema esaminato e' una estensione del problema di Graetz, sia in riferimento allo lo sviluppo simultaneo dello strato limite dinamico e termico che alle proprietà reologiche del fluido: si è infatti assunto il modello di Ostwald-De Waele, che prevede come caso limite il fluido Newtoniano. Le condizioni al contorno per la temperatura prevedono flusso termico alla parete linearmente dipendente dalla temperatura; sono cosi' recuperati i casi limite di temperatura e flusso costante alla parete. Il campo di temperatura risulta dipendere dalle coordinate radiali e assiali, dai numeri di Biot e di Brinkmann e dai due parametri reologici del fluido. Il campo termofluidodinamico nel suo sviluppo lungo il condotto e' stato risolto analiticamente con un metodo approssimato, seguendo l'approccio dei residui pesati. I profili di base per la velocità e la temperatura sono stati assunti si' da recuperare le soluzioni asintotiche di Levegue, nella regione di imbocco e di campo termofluidodinamico completamente sviluppato. Sono stati esaminati gli effetti di accoppiamento del campo termico e dinamico. I risultati ottenuti si raccordano soddisfacentemente con quelli presenti in letteratura a carattere numerico. 

 

Transitori termici in convezione naturale

Viene studiato il transitorio termico che si instaura quando una lastra piana verticale viene istantaneamente portata ad una temperatura uniforme più alta rispetto ad un fluido in quiete che la bagna. La soluzione di questo problema, perseguita in letteratura secondo metodi numerici o approssimati, ha evidenziato la comparsa di tre regioni marcatamente distinte: la prima di flusso parallelo, la seconda di transizione, infine l'ultima caratterizzata da condizioni stazionarie. A proposito di tali regioni il fatto notevole, e per certi versi inaspettato, è che gli spessori di strato limite dinamico e termico in corrispondenza di un valore ben preciso del tempo, legato alla ascissa lungo la lastra, assumono valori più grandi dei corrispondenti stazionari. Tale comportamento è confermato anche da rilievi sperimentali. Il problema e' stato affrontato seguendo l'approccio del metodo dei residui pesati e considerando le classiche approssimazioni di strato limite e di Boussinesq, allo scopo di ottenere una soluzione semplice ma accurata, che possa agevolmente essere estesa a casi più complicati, di attuale interesse. La scelta accurata delle "trial functions" ha consentito di recuperare non solo le ben note dipendenze funzionali del numero di Nusselt ma anche una buona accuratezza in tutto il campo. 

 

Caratterizzazione di proprietà termiche di materiali

 La ricerca ha avuto come obiettivo la caratterizzaione simultanea di due proprietà termiche di materiali basandosi sulla tradizionale tecnica del "flash method" e sulla termografia IR. La elaborazione dei dati sperimentali raccolti è avvenuta mediante la tecnica di Levenberg Marquadt. La novità dei lavori proposti ha consistito nello sfruttare sia l'evoluzione temporale che la distribuzione spaziale del campo di temperatura per la determinazione simultanea di due proprietà termiche, ad esempio conducibilità e diffusività termica, e nell'evidenziare come il tempo di campionamento e l'errore caratteristico del sistema termografico giochino un ruolo fondamentale nell'influenzare i risultati finali. Basandosi su tecniche di simulazione di tipo Montecarlo si è pervenuti alla scelta ottimale di detti parametri tenendo conto delle caratteristiche mutue materiale in prova/setup sperimentale.  

 

Pubblicazioni a prevalente carattere didattico

 E' stata esaminata, l'influenza delle valvole di regolazione sulla risposta idraulica, e quindi termica, sia del ramo cui queste sono asservite, sia sui restanti rami dell'impianto. Si è fatto riferimento ad un impianto a zone in cui la regolazione avviene per modulazione di portata mediante una valvola di regolazione a due vie. Questa scelta è legata solo a motivi di semplicità di calcolo, non avendo implicazioni concettuali l'estensione sia allo schema usualmente adottato, regolazione con valvola a tre vie, e sia alla regolazione mediante modulazione di temperatura dell'acqua.

© 2017 by Rino Cuccurullo

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