Progressi nel trasferimento di calore e massa nei processi basati su gas su scala microscopica
Il progetto MIGRATE, finanziato dall’UE, ha affrontato le sfide attuali poste all’innovazione che le industrie europee stanno fronteggiando in merito al trasferimento di calore e massa nei processi basati su gas su scala microscopica. Ciò ha coinvolto la modellizzazione dei processi e dei dispositivi di trasferimento di calore, lo sviluppo e la caratterizzazione di sensori e strumenti di misura per il trasferimento di calore nei flussi gassosi e nei microseparatori di gas basati sull’energia termica per dispositivi microscopici al fine di ottenere un migliore recupero del calore. Lo sviluppo di microanalizzatori compatti di gas richiede una conoscenza comprensiva relativa al comportamento termico instabile del flusso di gas con effetti di compressibilità non trascurabili, nonché degli effetti associati all’assorbimento/desorbimento e al trasferimento di calore longitudinale e trasversale. Sono inoltre necessari sensori integrati per fornire circuiti di retroazione rapidi per un controllo ottimizzato dei processi che conduca ad una migliore efficienza termica e ad una richiesta di risorse inferiore.
Nuovi approcci alla modellizzazione
I ricercatori hanno pertanto sviluppato diverse nuove metodologie di modellizzazione e descrizioni precise del trasferimento di calore di flussi di gas microscopici in dispositivi miniaturizzati che comprendono contattori gas-liquido e transizione di fase. Essi hanno inoltre progettato vari metodi di misurazione e un sensore di pressione wireless miniaturizzato con un campo di misura maggiore, nonché un sensore di temperatura e di flusso di calore miniaturizzato per flussi di gas basati su particelle termocromiche. L’intervallo del sensore di pressione wireless era compreso tra un alto vuoto e una pressione elevata, un ventaglio di solito osservato quando si utilizzano diversi sensori in combinazione. Inoltre, MIGRATE ha realizzato diversi tipi di sensori ottici a raggi ultravioletti per la quantificazione dei composti organici volatili (COV). Sono stati sviluppati e collaudati vari sistemi di sensori per i COV basati su effetto fotoelettrico, effetti della fotoionizzazione nei liquidi e contattori gas-liquido. «Ciò si dimostra importante per le future analisi ambientali, dato che l’UE ha drasticamente ridotto i limiti ammissibili consentiti nella campionatura della qualità dell’aria», afferma Jürgen Brandner, coordinatore del progetto. Inoltre, il progetto ha creato o migliorato modelli matematici per descrivere il trasferimento di calore, i contattori gas-liquido e la transizione di fase che ora risultano pronti per l’uso. «Oltre a ciò, è stato sviluppato e applicato con successo un modello di ordine ridotto per potenziare il trasferimento di calore e la perturbazione dei flussi in scambiatori di calore a gas altamente efficienti. I relativi scambiatori di calore sono stati realizzati e collaudati per turbine a gas ad alta temperatura, che potrebbero risultare utili per le applicazioni energetiche future», spiega Brandner.
Maggiori conoscenze
Il progetto MIGRATE ha fornito una comprensione più approfondita delle prestazioni del trasferimento di calore su scala microscopica e ha sviluppato e caratterizzato scambiatori di calore gas-gas ad alte prestazioni per applicazioni energetiche decentralizzate e raccolta di energie derivanti dal calore di scarto, ad esempio. Inoltre, gli scienziati beneficeranno dei miglioramenti raggiunti nella modellizzazione e dei nuovi codici di simulazione in aggiunta ai nuovi progetti per sistemi e dispositivi microfluidici. L’applicazione dei sensori ambientali sviluppati da MIGRATE contribuirà anche al monitoraggio dei COV, apportando così benefici alla società nel suo insieme. «I dispositivi miniaturizzati svolgono un ruolo chiave in applicazioni industriali e sistemi di trasporto futuri, così come nella riprogettazione di processi esistenti, spaziando dalle tecnologie industriali fino alle apparecchiature personali», sottolinea Brandner. Infine, il coinvolgimento da parte dell’iniziativa di ricerca universitaria, PMI e parti interessate delle industrie di spicco a livello mondiale contribuirà notevolmente alla conoscenza riguardo ai problemi connessi al trasferimento di calore dei flussi di gas su scala microscopica e alle applicazioni industriali di dispositivi miniaturizzati altamente efficienti. La ricerca è stata intrapresa con il supporto del programma Marie Skłodowska-Curie.
Parole chiave
MIGRATE, trasferimento di calore, miniaturizzato, trasferimento di massa, composti organici volatili, trasferimento di calore, sensore di pressione, termocromico, microanalizzatore di gas
