Calorimetria Hydrobetatron. La proposta tecnica

Riassunto dei suggerimenti tecnici (del 23 Dicembre 2012) che il Gruppo GSVIT aveva indicato all’ing. Abundo e alla prof.ssa Pieravanti per eseguire la Calorimetria di Hydrobetatron.

Di seguito sono riportati i suggerimenti relativi al set-up di misura, costituito dal Calorimetro a flusso d’acqua, e alcune indicazioni tecniche su come operare una sua corretta calibrazione.

Alcune osservazioni preliminari:

1) In considerazione dell’eccesso di calore atteso, stimato ad oggi intorno al 20%, sarebbe opportuno che il Calorimetro avesse una efficienza del 0.95. In ogni caso valori di efficienza riscontrati inferiori a 0.9 renderebbero poi le successive misure di “eccesso di calorenon attendibili.

2) Al fine di garantire una corretta calibrazione occorre aspettare di avere raggiunto il regime stazionario del sistema. Si consiglia di considerare il raggiungimento della stabilizzazione termica dopo che siano trascorse almeno 3 o 4 ore dall’inizio del processo di riscaldamento.

3) Una volta raggiunta la stabilizzazione termica la misura del ΔT dovrebbe essere condotta per una durata di almeno 60 minuti.

4) Per quanto riguarda la stima degli errori, occorre fare riferimento a un ΔT minimo (ingresso-uscita) di 10 °C.

5) La calibrazione dovrebbe essere eseguita almeno per due valori di potenza operativa, ad esempio si potrebbe ipotizzare 100 e 200 W e ripetuta un paio di volte.

6) Se si vuole ottenere un’efficienza elevata del Calorimetro, normalmente si dovrà ricorrere all’inserimento di una resistenza termica tra cella e camicia al fine di mantenere l’elettrolita a una temperatura sufficientemente elevata pur avendo una portata ragionevole dell’acqua di raffreddamento.

Fissati i parametri di cui sopra, si suggerisce di realizzare un unico flusso d’acqua costante di 8 litri/ora che, per quanto detto, appare alla portata dell’attuale design. Un tale flusso in teoria permetterebbe di ottenere un delta T di circa 10°C @ 100W e di circa 20°C @ 200W.

Dovendo sostenere una circolazione di fluido per 4-5 ore si consiglia l’uso di un serbatoio da 50 litri e, considerando che la quantità è comunque limitata, di non riciclare l’acqua con un circuito di raffreddamento. Il contenuto del serbatoio sia mantenuto a temperatura ambiente, e preferibilmente sia munito di un termometro, o sonda termometrica di accuratezza adeguata, immerso nel fluido per una prima valutazione della temperatura dell’acqua in ingresso.

Una volta certi di essere giunti alla stabilità si dirotta il tubo di uscita del Calorimetro in un recipiente vuoto di raccolta (esempio serbatoio da 10 litri) posto sopra ad una bilancia di precisione e si eseguono periodiche misurazioni di massa e di temperatura per un’ora esatta (od un tempo cronometrato simile).

Durante questo tempo si registra il ΔT ogni minuto e alla fine si fa una media per avere il ΔT medio. Dal peso dell’acqua transitata e si ottiene la portata media.

La relazione matematica per la valutazione del Calorimetro è:

P = {[macqua * c * ΔT] + [k * (TTamb)]} / t

con T = (Tin+Tout) / 2

P è espressa in W

m è espressa in kg

c (a temperatura 25°C e pressione ambiente) vale circa 4180 J/(kg*K)

ΔT è espresso in Kelvin

t è espresso in secondi

Imponendo l’uguaglianza con la Pin nota, quella erogata della resistenza e misurata dal Wattmetro, si deduce il coefficiente k del Calorimetro. Se tutto è stato fatto a regola d’arte il coefficiente k dovrà risultare indipendente dalla potenza.

Il rapporto:

P / [macqua * c * ΔT] / t

rappresenta l’efficienza del Calorimetro nelle condizioni di test e come detto non dovrà essere in ogni caso inferiore a 0.9.

Veniamo ora alla resistenza da utilizzare per la calibrazione, essa dovrà essere alimentata con lo stesso circuito utilizzato per la cella vera e possibilmente con valori simili di tensione. Data la durata prolungata del test, occorre registrare regolarmente la potenza (e/o energia) entrante indicata dal Wattmetro per poi fare gli opportuni calcoli e la media sulla potenza.

La cosa migliore sarebbe di disporre anche di un secondo alimentatore, di tipo DC stabilizzato, in grado di alimentare la resistenza con la stessa potenza. I risultati ottenuti, utilizzando l’alimentatore stabilizzato DC facendo il prodotto V*I, dovrebbero coincidere con la potenza media calcolata nel test con Variac.

Si dovrebbe registrare una maggiore potenza nel caso della misura con Variac (dell’ordine di 10W) da imputare alle dissipazioni del Variac e dell’eventuale trasformatore di isolamento. Questa differenza dovrebbe risultare immutata (in valore assoluto in assoluto) anche nel test eseguito a potenza doppia.

Se le dissipazioni risultassero maggiori, si consiglia di sottoalimentare il Variac mediante autotrasformatore messo a monte di tutto, infatti le dissipazioni aumentano con il quadrato della densità di flusso e quindi con il quadrato della tensione di alimentazione. Alimentando il Variac a 110V le dissipazioni si riducono ad 1/4. Chiaramente, per un Variac con uscita 0-270V, la massima tensione erogabile si ridurrebbe a 135V, valore che potrebbe comunque essere sufficiente per le prove a minore potenza.

Se la potenza utilizzata è invece alta (ordine dei 300-400W) allora i 10W divengono quasi trascurabili.

Si ricorda a riguardo della condizione di ebollizione che, considerando il poco eccesso supposto, sarebbe opportuno rimpicciolire il condensatore e realizzare un unico circuito in serie per fare cadere il condensato direttamente nella cella.

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11 Aprile 2013 – Pubblicato il primo video

1° video pubblicato su YouTube relativamente alla calorimetria di Hydrobetatron

In attesa di valutare il contenuto del “Report“, questi sono le informazioni preliminari ricavate dalla sola visione del video, pertanto sono da confermare:

  • Fluido utilizzato: Acqua distillata
  • Calorimetro dotato di: una camicia attorno al reattore e un condensatore per la condensa dei vapori
  • 2 flussi di acqua “regolabili in modo indipendente” di cui il primo F1 alimenta la camicia di raffreddamento, mentre il secondo F2 alimenta il circuito del condensatore
  • Flusso F1 (dedotto dal filmato) intorno ai 100 ml/min
  • Pompa da 7 litri/minuto nominali (probabilmente modello AQUA 8)
  • Unico serbatoio: tanica da 25 litri
  • Circuito di refrigerazione del fluido costituto da uno scambiatore aria-acqua con regolazione della velocità del ventilatore

Le Termocoppie e il loro posizionamento:

  • Canale T1: temperatura acqua in ingresso alla camicia (16,24 °C)
  • Canale T2: temperatura acqua in uscita dalla camicia (28,26 °C)
  • Canale T3: temperatura acqua in uscita dal sistema di condensazione (27,75 °C)
  • Canale T4: temperatura interna soluzione elettrolitica del reattore (39,71 °C)
  • Canale T5: temperatura acqua in ingresso al condensatore (14,72 °C)
  • Canale T6: temperatura termocoppia posizionata esternamente alla camicia, in basso (16,38 °C)
  • Canale T7: temperatura termocoppia posizionata esternamente alla camicia, in centro (26,10 °C)
  • Canale T8: temperatura termocoppia posizionata esternamente alla camicia, parte alta (20,26 °C)

Sistema di misurazione energia elettrica:

  • Voltmetro più un Amperometro (misure indicative)
  • Wattmetro VIP System 3 (misura consumo effettivo)

Consumo del resistore di riferimento per la calibrazione: circa 55 W in media (+10W causa perdite nel Trasformatore/Variac)

12 Aprile 2013 – Pubblicato un secondo video

2° video pubblicato su YouTube relativamente alla calorimetria di Hydrobetatron

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GSVIT : aggiornamento del 14 Aprile 2013:

E’ disponibile un link ad un file Excel denominato “Verifica dati Report” nel quale sono riportati ed elaborati i dati più significativi contenuti nel Report (i dati da elaborare sono presi direttamente dal Report, in particolare dalla tabella presente a pag. 5).

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