Gennaro CUCCURULLO | Progetti

EFFETTI TERMICI NEL RISCALDAMENTO A MICROONDE

Avendo in mente processi innovativi nell'ambito dei trattamenti termici per l'industria alimentare, dal punto di vista teorico, la ricerca si propone di accelerare la previsione numerica dei profili di temperatura per un liquido incomprimibile che viene sottoposto a riscaldamento a microonde (MW). Di solito, gli aumenti di temperatura sono tali da richiedere il ricorso a proprietà dipendenti dalla temperatura (la costante dielettrica). Quindi, lo studio richiede l'accoppiamento forte delle equazioni del flusso, dello scambio termico ed elettromagnetiche. Si auspica di poter ridurre i problemi di calcolo (convergenza e tempi lunghissimi), introducendo un modello ibrido che colleghi i risultati numerici con quelli di calcolo analitico, fornendo uno strumento per la previsione accurata della distribuzione di temperatura bulk. La soluzione ibrida prevede necessariamente la risoluzione numerica in via preliminare per il campo di elettromagnetico in corrispondenza di una permittività dielettrica media prefissata. A questo scopo si prevede di costruire un modello numerico FEM 3D. Il fluido oggetto del riscaldamento è descritto come un mezzo dielettrico isotropo e omogeneo. Le equazioni di Maxwell saranno risolte nel dominio della frequenza sia nel "fluido applicatore" che nel dominio di aria complementare utilizzando elementi tetraedrici non strutturati. Air e il "tubo applicatore" in PTFE saranno assunti completamente trasparenti alle microonde e perdite nei materiali resistivi trascurabili, delle condizioni al contorno perfetti conduttori elettrici saranno assunte. Sulla porta della guida d'onda (WR 340) sarà assegnata una potenza di 2kW@2450MHz, modalità TE10. Valori medi discreti relativi a diverse sezioni trasversali saranno estratti da tale soluzione e corretti da una funzione di pesatura da determinarsi per poter poi interpolare con una serie di Fourier discreta. Quest'ultima verrà poi accoppiata alle equazioni della quantità di moto e dell'energia fornendo un problema lineare caratterizzato da due non omogeneità. Per questo si ricercherà la soluzione come somma di due soluzioni parziali: la prima soluzione è già nota essendo dovuta alla disomogeneità sulla condizione iniziale si tratta del problema classico Graetz. La seconda, ove la disomogeneità è la generazione termica, può in principio essere risolta in forma chiusa mediante il metodo della variazione dei parametri. La soluzione ibrida andrà comparata con quella numerica completa sia in termini di accuratezza che in termini di velocità. Dal punto di vista sperimentale, un primo tentativo di lettura della temperatura mediante termografia quantitativa a infrarossi è previsto così da consetire la caratterizzazione dell'andamento spaziale delle temperatura "bulk" di un fluido in moto all'interno di una cavità illuminata dalle microonde. Assodato che le misure di temperatura sono di solito prese su pochi (tipicamente 4) punti per mezzo di sonde a fibre ottiche, la procedura proposta è intesa a promuovere le risoluzioni più elevate rispetto a quelle standard, approccio necessario stante l'elevata disuniformità del campo elettromagnetico. A tale scopo si ipotizza di mettere a punto una procedura di calibrazione basata sull'assunzione, già appurata in passato, che per alte portate l'andamento delle temperature sia lineare. Ciò consentirà di avere informazioni dentro la cavità da misure di temperatura esterne. Ovviamente, la presenza della griglia metallica interposta tra termografo e target costituisce un ostacolo da tenere in conto a causa dei limiti del campo di vista istantaneo (IFOV) del radiometro in uso e stanti le sue particolari lunghezze d'onda di funzionamento nonchè la sua "slit response function" (SRF). Una procedura adeguata è poi da mettere a punto a causa delle riflessioni dall'ambiente interno, quello esterno e della trasmittanza attraverso la griglia, correggendo l'abituale algoritmo di base della termografia, insensibile a tali parametri.