Heat Transfer Module

Per la modellazione dello scambio termico in solidi e fluidi

Heat Transfer Module

Profilo di temperatura nel serbatoio e lungo uno dei tubi di uno scambiatore di calore.

Generazione, consumo e scambio di calore

L'Heat Transfer Module consente di analizzare gli effetti del riscaldamento e del raffreddamento in dispositivi, componenti o processi. Il modulo offre strumenti di simulazione per studiare i meccanismi di scambio termico – conduzione, convezione e irraggiamento – spesso in correlazione ad altri fenomeni fisici, coinvolgendo per esempio la meccanica strutturale, la fluidodinamica, l'elettromagnetismo e le reazioni chimiche. In questo contesto, l'Heat Transfer Module funge da piattaforma per tutti i settori e le applicazioni possibili, dove la generazione, il consumo o lo scambio di calore o energia è di importanza fondamentale o contribuisce significativamente al processo studiato.

Proprietà termodinamiche e dati dei materiali

L'Heat Transfer Module contiene un database che raccoglie molte proprietà termodinamiche dei materiali, quali i fluidi e i gas più comuni, necessarie per effettuare analisi accurate. Tra queste, la conducibilità termica, la capacità termica e la densità. Anche la Material Library è un'ottima fonte da cui ricavare le proprietà dei materiali poiché contiene i dati o le relazioni algebriche di oltre 2.500 materiali solidi con alcune loro proprietà, tra le quali il modulo di Young e la conducibilità elettrica, dipendenti dalla temperatura. L'Heat Transfer Module consente anche l'importazione da Excel® e MATLAB® di dati, termodinamici e non solo, e il collegamento a database esterni di dati termodinamici attraverso lo standard CAPE-OPEN.


Altre immagini:

  • Scambio termico coniugato: una ventola e una griglia forata generano un flusso d'aria nell'involucro di un alimentatore per computer per ridurre il riscaldamento interno. Scambio termico coniugato: una ventola e una griglia forata generano un flusso d'aria nell'involucro di un alimentatore per computer per ridurre il riscaldamento interno.
  • Contatto termico: la corrente elettrica produce riscaldamento per effetto Joule in un interruttore a contatto. Le resistenze di tipo termico ed elettrico nei punti di contatto sono accoppiate alla pressione di contatto meccanico sull'interfaccia. Contatto termico: la corrente elettrica produce riscaldamento per effetto Joule in un interruttore a contatto. Le resistenze di tipo termico ed elettrico nei punti di contatto sono accoppiate alla pressione di contatto meccanico sull'interfaccia.
  • Riscaldamento a induzione: le alte temperature che si creano in un forno a pareti calde per la lavorazione dei semiconduttori sono la risultante del riscaldamento a induzione. Sono considerati sia l'irraggiamento superficiale tra una lastra di silicio e le pareti del forno sia la conduzione e la convezione. Riscaldamento a induzione: le alte temperature che si creano in un forno a pareti calde per la lavorazione dei semiconduttori sono la risultante del riscaldamento a induzione. Sono considerati sia l'irraggiamento superficiale tra una lastra di silicio e le pareti del forno sia la conduzione e la convezione.
  • Irraggiamento: la convezione libera dell'argon avviene per variazioni della densità causate dai differenziali di temperatura. Questi sono dovuti all'accoppiamento dell'irraggiamento termico con lo scambio termico per conduzione e convezione. Irraggiamento: la convezione libera dell'argon avviene per variazioni della densità causate dai differenziali di temperatura. Questi sono dovuti all'accoppiamento dell'irraggiamento termico con lo scambio termico per conduzione e convezione.
  • Cambiamento di fase: un'asta di ghiaccio è mantenuta al punto di congelamento a un'estremità e a 80 gradi Celsius all'altra. Il grafico ne indica il profilo di temperatura nel tempo prendendo in considerazione il calore latente e la differenza tra le proprietà del solido e del materiale, come conducibilità e capacità termica. Cambiamento di fase: un'asta di ghiaccio è mantenuta al punto di congelamento a un'estremità e a 80 gradi Celsius all'altra. Il grafico ne indica il profilo di temperatura nel tempo prendendo in considerazione il calore latente e la differenza tra le proprietà del solido e del materiale, come conducibilità e capacità termica.
  • Strati sottili: simulazione di un circuito di riscaldamento che comprende riscaldamento Joule indotto da corrente continua, scambio termico e analisi della meccanica strutturale di uno strato sottile resistivo su una lastra di vetro. Strati sottili: simulazione di un circuito di riscaldamento che comprende riscaldamento Joule indotto da corrente continua, scambio termico e analisi della meccanica strutturale di uno strato sottile resistivo su una lastra di vetro.

Un flusso di lavoro unificato

L'Heat Transfer Module è unico nel panorama della modellazione, poiché è uno strumento dedicato alla simulazione degli effetti termici sui processi di lavorazione e sulla progettazione di prodotti. COMSOL adotta un approccio unificato per la configurazione del modello e l'esecuzione delle simulazioni, per studiare lo scambio termico e tutti gli altri fenomeni fisici che influenzano le applicazioni finali. Avrete quindi a disposizione uno strumento standard per comunicare i risultati delle vostre analisi a colleghi che stanno studiando fenomeni diversi. Indipendentemente dal fenomeno fisico che voi o i vostri colleghi studiate all'interno di una particolare applicazione, il flusso di lavoro è uniforme e lineare e si articola nelle seguenti fasi:

  • Importazione o disegno della geometria del dispositivo o del sistema in esame
  • Selezione dei dati dei materiali o delle relazioni dagli stessi file, utilizzando proprietà costanti o dipendenti dalla temperatura
  • Scelta dello schema di calcolo migliore per trattare lo scambio termico del sistema sulla base dell'ampia gamma di interfacce su misura che possono dipendere o meno da altri fenomeni fisici accoppiati al sistema
  • Inclusione di altri effetti fisici accoppiati con gli effetti dello scambio termico
  • Definizione delle condizioni e dei vincoli sul contorno del sistema
  • Generazione della mesh del sistema. Questa o le sue derivate vengono poi utilizzate in simulazioni diverse
  • Esecuzione del calcolo per l'individuazione di una soluzione, con un solutore e impostazioni appropriate per l'analisi da effettuare
  • Elaborazione e visualizzazione dei risultati e presentazione negli stessi grafici e figure, anche provenienti da simulazioni diverse

Piattaforma unificata per simulare gli effetti termici sui processi di lavorazione e sui progetti di prodotti

Insieme a COMSOL Multiphysics e alla sua ampia gamma di moduli aggiuntivi, COMSOL offre uno strumento unificato per studiare tutti gli aspetti di un progetto o processo, a prescindere dai fenomeni fisici oggetto di studio. Si può modellare il riscaldamento Joule dei dispositivi di un sistema in una prima fase, il loro raffreddamento per ventilazione del sistema in un'altra e le sollecitazioni termiche cui sono soggetti in una fase ancora successiva. Oppure è possibile simulare tutti gli effetti anche contemporaneamente.

Lo scambio termico è un effetto fisico importante, per lo più considerato in relazione ad altri effetti fisici. I campi di temperatura portano a sollecitazioni termiche, mentre i campi elettromagnetici creano riscaldamento resistivo, per induzione, a microonde e a radiofrequenza. L'analisi della fluidodinamica su componenti diversi è essenziale per capire come raffreddarli, mentre le variazioni di temperatura esercitano un forte impatto sulle proprietà del materiale e sul loro comportamento fisico durante vari tipi di lavorazione termica, come fusione o saldatura. L'Heat Transfer Module prevede diverse interfacce utente per facilitare la modellazione dello scambio termico accoppiato con altri fenomeni e può essere integrato in uno qualsiasi degli altri moduli della suite di prodotti COMSOL®.

I meccanismi di scambio termico

Caratteristica fondamentale dell'Heat Transfer Module è la capacità di eseguire calcoli relativi alla conservazione del calore, ossia bilanci di energia, in cui vengono considerati diversi fenomeni come perdite meccaniche, calore latente, riscaldamento Joule o calore di reazione. L'Heat Transfer Module offre interfacce preconfigurate, le cosiddette interfacce fisiche, pronte a ricevere i dati di input del modello tramite l'interfaccia grafica utente (GUI) e a utilizzarli per formulare i bilanci di energia. Come con tutte le interfacce fisiche all'interno della suite di prodotti COMSOL, è possibile modificare le equazioni già presenti per una maggiore flessibilità nella definizione dei meccanismi di trasferimento, indicando ad esempio fonti di calore specifiche o accoppiando altri fenomeni fisici.

Conduzione

L'Heat Transfer Module prevede lo scambio termico per conduzione in solidi e liquidi, da soli o combinati, e fornisce accesso illimitato alla conducibilità termica per definire la sua dipendenza dalle variabili, spesso come funzione della temperatura. Il calcolo automatico delle coordinate curvilinee di geometrie arbitrarie, unito alla capacità di definire le proprietà anisotrope dei materiali, assicura rappresentazioni fedeli degli effetti termici su strutture anisotrope come i materiali compositi.

Irraggiamento

L'Heat Transfer Module supporta la modellazione dell'irraggiamento in vari scenari e comprende solutori specializzati per simulare tale fenomeno e accoppiarlo a convezione e conduzione. L'Heat Transfer Module offre gli strumenti per modellare l'irraggiamento da superficie ad ambiente, da ambiente a superficie e tra superfici in mezzi trasparenti, opachi e semiopachi.

Il modulo utilizza il metodo della radiosità per modellare l'irraggiamento tra superfici e permette di considerare le proprietà di superficie dipendenti dalla lunghezza d'onda per poter considerare fino a cinque bande spettrali simultaneamente nello stesso modello. Questo metodo è appropriato per modellare l'irraggiamento solare, dove l'assorbività della superficie per lunghezze d'onda corte (banda spettrale solare) può differire dall'emissività della superficie per le lunghezze d'onda maggiori (banda spettrale ambiente). Per ogni banda spettrale è anche possibile definire le proprietà di trasparenza. L'Heat Transfer Module modella anche lo scambio termico radiativo in mezzi semiopachi, che considera assorbimento, emissione e dispersione della radiazione termica in tali mezzi.

Convezione

La presenza di fluidi nei sistemi introduce chiaramente, nelle applicazioni di scambio termico, il fenomeno della convezione e i contributi dell'energia, attraverso il lavoro delle forze di pressione e gli effetti viscosi. L'Heat Transfer Module supporta questi processi e tiene conto della convezione sia forzata sia libera o naturale. Offre inoltre un'interfaccia fisica specifica per lo scambio termico coniugato, dove domini solidi e liquidi vengono modellati nello stesso sistema. Per tener conto della fluidodinamica, l'Heat Transfer Module offre interfacce fisiche con cui modellare il flusso laminare e turbolento sulla base dei modelli di turbolenza k-ε a basso/alto numero di Reynolds. In tutti i casi di flusso, gli effetti di galleggiamento naturale che si verificano a causa di differenze di temperatura sono presi in considerazione per default assumendo un flusso di tipo non isotermico. L'integrazione dei modelli di scambio termico con il CFD Module consente di eseguire ulteriori simulazioni di fluidodinamica, con modelli di turbolenza alternativi o riguardanti il flusso in mezzi porosi e il flusso bifase.

L'Heat Transfer Module include anche funzionalità per semplificare la simulazione della convezione, quando la modellazione completa della fluidodinamica non garantisce un livello di precisione maggiore o risulta proibitiva per la scarsezza di risorse computazionali. Le funzionalità sono disponibili attraverso una libreria incorporata di coefficienti di scambio termico e possono essere utilizzate per simulare il trasferimento di calore tra l'ambiente che circonda il sistema preso in esame e i contorni mediante convezione forzata o naturale. Il modulo contiene anche le relazioni per diversi tipi di configurazioni geometriche, come camini o piastre (verticali, orizzontali o inclinate) e diversi fluidi esterni (aria, acqua e olio).

Scambio termico in mezzi porosi

Sebbene i concetti di scambio termico nella fluidodinamica del flusso laminare e turbolento in mezzi liberi siano ben noti, l'Heat Transfer Module offre anche interfacce robuste per modellare lo scambio termico in mezzi porosi, considerando conduzione e convezione, nella fase solida e nei pori per la matrice di porosità. E' possibile selezionare diversi modelli di media per definire le proprietà dello scambio termico effettivo calcolate automaticamente dalle rispettive proprietà dei solidi e dei liquidi. Vi è anche a disposizione una funzionalità predefinita per la dispersione di calore in mezzi porosi, dovuta alla tortuosità del percorso del fluido attraverso i pori.

Bioriscaldamento

L'Heat Transfer Module offre un'interfaccia fisica per l'equazione di bioriscaldamento. L'interfaccia Equazione di bioriscaldamento è lo strumento perfetto per simulare gli effetti termici nei tessuti umani e in altri sistemi biologici, dovuti a riscaldamento a microonde, resistivo, per reazione chimica o radiativo. Anche in questo caso le variazioni di temperatura nell'ambiente COMSOL possono essere trasferite facilmente alle proprietà del materiale di altri fenomeni fisici, ad esempio le proprietà elettriche del materiale in una simulazione multifisica accoppiata. Il bioriscaldamento può essere combinato con vari fenomeni di cambiamento di fase, compresa la necrosi tissutale.

Cambiamento di fase

Il cambiamento di fase è una proprietà dirompente nell'analisi dello scambio termico, perché può introdurre trasformazioni difficili da prevedere delle interfacce geometriche di transizione tra le fasi o cambiamenti improvvisi nelle proprietà del materiale (come conducibilità, capacità termica o comportamento di flusso) che possono differire in modo apprezzabile tra fase solida, liquida e gassosa del materiale. Il cambiamento di fase introduce inoltre il calore latente, dominante in molti bilanci termici. Grazie a una serie di funzionalità e interfacce utente diverse, COMSOL Multiphysics e l'Heat Transfer Module sono in grado di tener conto di questi fenomeni disruttivi e possono anche modellare le variazioni volumetriche del modello mediante l'uso di mesh mobili. Vi è anche la possibilità di definire automaticamente le proprietà termodinamiche per considerare improvvise alterazioni nelle proprietà del materiale senza compromettere la continuità attraverso il controllo dell'intervallo tra i cambiamenti di fase.

Resistenza termica di contatto

Quando due oggetti solidi sono in contatto, la resistenza alla trasmissione del calore è spesso una funzione dell'estensione della superficie di contatto e della rispettiva finitura superficiale. Le rugosità creano tra le superfici piccoli spazi vuoti che inibiscono lo scambio termico; premendo tra loro i due corpi, si riduce la dimensione di questi spazi. Le interfacce fisiche fornite nell'Heat Transfer Module consentono di simulare il coefficiente di conduttanza termica per contatto in funzione della pressione applicata, della conducibilità specifica nello spazio vuoto e anche considerando il contributo dell'irraggiamento tra le due superfici separate dai piccoli spazi vuoti. Integrando i modelli di scambio termico con lo Structural Mechanics Module è possibile accoppiare direttamente gli aspetti termici e meccanici del contatto, compresa la dilatazione termica.

Strati sottili e gusci

I dispositivi o i processi da studiare sono spesso costituiti da materiali o domini geometricamente molto più piccoli rispetto al resto del sistema, come nel caso di sottili strati di rame sui PCB, la parete di un recipiente in pressione o strati sottili isolanti. Gli strumenti di modellazione dedicati contenuti nell'Heat Transfer Module simulano queste casistiche e riducono i requisiti computazionali. Vengono utilizzati gusci altamente conduttivi nei casi in cui il gradiente di scambio termico su uno strato o un guscio è significativo nelle direzioni tangenti (non attraverso il suo spessore) per evitare la generazione della mesh lungo il suo spessore. Inoltre, i risultati di queste soluzioni sono accoppiati alle entità 3D associate allo strato o al guscio, che può essere una parete sottile tra due domini più grandi, tra un dominio e l'ambiente circostante o uno strato incorporato nella superficie di un altro solido. In maniera simile, le interfacce fisiche per strati sottili con elevata resistività termica sono un modo semplice per rappresentare materiali poco conduttivi.

Nodo Multifisico Thermoelectric Effect

I materiali che presentano l'effetto termoelettrico sono in grado di convertire delle differenze di temperatura in tensioni elettriche in quanto il flusso termico contiene dei portatori di carica. Nel caso opposto, applicando un potenziale a questi materiali si osserva un gradiente di temperatura tra i materiali stessi. Dispositivi prodotti con materiali termoelettrici vengono spesso utilizzati per il raffreddamento elettronico o raffreddatori portatili. Altra categoria di dispositivi di utilizzo molto diffusi risulta essere quella degli accumulatori di energia.

L'interfaccia multifisica Thermoelectric Effect è una combinazione delle interfacce Electric Currents e Heat Transfer in Solids. Questa dà la possibilità di usufruire a pieno delle capacità dell'Heat Transfer Module, quali condizioni al contorno avanzate e irraggiamento. Come con tutte le altre interfacce fisiche di COMSOL, l'interfaccia Thermoelectric Effect può essere accoppiata a qualsiasi altra interfaccia fisica, quale l'interfaccia Solid Mechanics. Sono disponibili le proprietà di due materiali termoelettrici di comune utilizzo: Tellururo di Bismuto e Tellururo di Piombo; risulta inoltre semplice l'aggiunta di materiali termoelettrici definiti dall'utente.

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