Misura di caratteristiche di scambio termico in canali corrugati con metodi ottici

This thesis aims at improving the overall methodology for the preliminary modelling and for the performance of a complex experimental activity, mainly thanks to a number of filters applied to thermographies. The work is performed at the ThermALab of Politecnico di Milano, where a long-term experimental activity has been carried on for years, with the goal of increasing the convective heat transfer coefficient in forced convection by means of the addition of differently-shaped ribs to the heat-transfer surface. The adopted test rig is a plane, rectangular duct, with imposed heat flux on a single ribbed surface, which mimics the features of modern air solar collectors. The goal is to retrieve the local convective heat transfer coefficient through the non-destructive measurement technique based on the use of a thermographic camera. The most recent experimental campaigns have been performed on both the smooth duct and in presence of ribs (arranged in the so-called ``V-down'' layout, that is chevron-shaped, downstream-facing-tip ribs). The accuracy of the retrieved data has been improved thanks to the increasing in the number of probes and by means of of the adoption of a novel device, which turned out to be the best one among the tested solutions for the measurement of the bulk temperature. By the data processing point of view, the first improvement has consisted in the optimization of the computational mesh, adopted for the preliminary calculations. This implied a strong reduction of the overall time. Second, to further increase the procedure reliability, a novel image filtering technique has been implemented and applied to optical measurements. This last part, i.e., the improvement of the thermography post-processing quality, turned out to be the pivotal one, since the output of the thermographic camera, that is the temperature profile obtained from the measured thermal emission, is the most relevant step in the overall convective heat transfer investigation. Three kinds of filters have been applied to the digital images, and therefore the resulting temperature fields have been analyzed. Among the three solutions, the ``average'' filter has been selected, since it turned out to offer the best compromise between the necessity of interfacing with the complex data processing system and the preservation of the quality of the physical problem representation. Eventually, the procesed data were assessed againts the ones obtained in accordance with the previously-used prcedure.

Il presente progetto di tesi ha l'obiettivo di migliorare la metodologia per l'analisi della modellazione e della conduzione di un sistema sperimentale complesso, principalmente tramite l'utilizzo di tecniche di filtraggio applicate a termografie. Il lavoro è stato svolto presso il ThermALab del Politecnico di Milano, che da anni sviluppa una ricerca per incrementare le prestazioni di scambio termico attraverso l'inserimento di diverse configurazioni di nervature nella superficie di scambio. L'apparato attualmente in uso è un canale piano a sezione rettangolare, con flusso imposto su un unica parete nervata, il quale approssima le caratteristiche dei moderni collettori solari ad aria. Lo studio è finalizzato all'ottenimento del coefficiente di scambio termico convettivo locale tramite la tecnica non intrusiva di misurazione basata sull'utilizzo della termocamera. Le ultime campagne sperimentali sono state condotte sia sul canale liscio che in presenza di corrugazioni (in cosiddetta geometria ``V-down'', ossia a chevron con la punta rivolta verso valle). L'acquisizione dei dati è stata resa più precisa grazie all'incremento del numero di sonde e all'inserimento di una nuova apparecchiatura, che si è rilevata la migliore tra le soluzioni per la misurazione della temperatura di bulk. Dal punto di vista dell'elaborazione, un primo miglioramento è stato compiuto con l'ottimizzazione della mesh deputata ai calcoli preliminari, che ha comportato una notevole riduzione dei tempi del processo globale. Inoltre, per rendere la procedura sempre più attendibile, è stata implementata una nuova tecnica di filtraggio delle immagini, per l'elaborazione delle misurazioni ottiche. Il miglioramento della qualità dei dati ricavati dalla termocamera è essenziale, dal momento che l'output della termocamera, cioè il profilo di temperatura ricostruito sulla base della potenza termica rilevata, costituisce il cardine di tutta l'indagine riguardante scambio convettivo. Sono stati applicati tre tipi di filtro alle immagini digitali, e sono stati analizzati i campi di temperatura forniti dall'elaborazione. Fra i tre sistemi di filtraggio è stato scelto il filtro ``media'', che si è dimostrato in grado di trovare un compromesso fra la necessità di interfacciarsi al complesso processo di elaborazione dati e la preservazione della qualità della rappresentazione del problema fisico. Infine è stato attuato un confronto fra i risultati ottenuti con il filtraggio e quelli derivati della procedura precedente.