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Modellizzazione analogica e numerica di un flusso termico in un mezzo poroso in laboratorio attraverso scatola termica

Giordano Nicolò Bima Enrico Caviglia Caterina Comina Cesare Mandrone G. Passarella Mauro
Articolo Immagine
ISSN:
1121-9041
Rivista:
GEAM
Anno:
2013
Numero:
138
Fascicolo:
GEAM N.138/2013

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In questo articolo sono riportati i risultati preliminari di prove di laboratorio e relativi modelli numerici su flussi di calore generati in una scatola termica. I test sperimentali sono stati condotti in una scatola di dimensioni pari a 1,0 x 0,4 x 0,4 m riempita di un mezzo poroso noto all’interno della quale sono stati indotti flussi di calore tramite differenti tipi di sorgente e monitorati per mezzo di sensori di temperatura e di umidità posizionati a ben definite distanze dalla sorgente di calore. Le numerose prove sono state condotte sia in riscaldamento che in raffreddamento, mantenendo costante il grado di saturazione del mezzo poroso ad ogni test. Ogni prova condotta ha permesso di acquisire un cospicuo numero di dati, tramite l’elaborazione dei quali è stato possibile definire il comportamento dei flussi di calore in condizioni secche, parzialmente sature, sature e riproducendo un flusso idrico all’interno del mezzo. I modelli estrapolati dalle prove di laboratorio mostrano come la propagazione del calore aumenti in modo considerevole con il contenuto d’acqua. Inoltre, generando un flusso idrico con l’applicazione di una differenza di carico idraulico ai lati della scatola, la propagazione del calore aumenta ancora più sensibilmente, registrando un aumento pari ad un ordine di grandezza dei gradienti di temperatura misurati ai vari sensori. Infine, si è costruito un modello numerico calibrato sui dati sperimentali, per mezzo del quale è stato possibile ottenere in back-analysis i valori di conduttività termica e capacità calorica volumetrica del mezzo poroso esaminato. Parole chiave: geotermia, flusso termico, mezzo poroso, modellizzazione, resistività elettrica.

Thermal box: analogical and numerical modeling of thermal flow in saturated and unsaturated conditions. In this note the results of experimental tests and related numerical simulation of thermal flows in an analogic thermal box are presented. Experimental tests have been conducted in a box (sized 1.0 x 0.4 x 0.4 m) full of a known porous medium: a thermal flow is generated with different heat sources and is monitored by means of 4 thermometers located at definite distances from the source. Many tests have been conducted both in warming and in cooling conditions, with controlled soil’s saturation degree. Each experiment allows to collect many data, that were processed to realize different analogical models of thermal flow into dry, at different stages of soil moisture and simulating a water table. Data processing shows that heat induced in soil medium propagates faster from dry to wet conditions while is less dependent on soil’s saturation degree. Moreover, introducing a water table effect, propagation of thermal flow improves significantly, with special reference to time of spread (increasing of temperature gradient measured about an order of magnitude). Finally, numerical model of thermal box, calibrate on physics model obtained, enable to conduct a back-analysis process to assign correct thermal conductivity and specific heat capacity values to soil medium examined. Keywords: geothermal energy, thermal flux, porous medium, modelling, electric resistivity.

Boite Thermique: modélisation analogique et numérique d’un flux thermique dans un milieu poreux. Le présent article prend en analyse les résultats des éprouves de laboratoire et des concernants modèles numériques sur flux de chaleur produits dans une boite thermique. Les tests expérimentaux ont été conduits dans une boite de 1,0 x 0,4 x 0,4 m avec un milieu poreux connu dans laquelle ont été produits flux thermiques à partir de différents genre de source et ils ont été supervisés avec 4 thermomètres situés à différents distances de la source de chaleur. Les nombreuse éprouves ont été conduites aussi bien avec l’apport que avec la soustraction de chaleur en gardant constant le degré de saturation du milieu poreux dans chaque test. Chaque éprouve a permis d’obtenir nombreux résultats, qui ont été élaborés pour définir le comportement des flux thermiques en conditions sèches, partialement saturées, et saturées avec l’imposition d’un flux hydraulique. Les modèles extrapolés montrent comment la propagation de chaleur procède avec rapidité croissant à partir de conditions sèches vers celles partialement saturées, indépendamment du degré de saturation. En outre, en ajoutant un flux hydraulique dans le milieu, la propagation de chaleur s’améliore sensiblement, en enregistrant un augmentation d’un ordre de grandeur des gradients de température mesurés. À la fin on a construit un modèle numérique calibré sur les résultats expérimentaux, avec lequel obtenir en back-analysis les valeurs de conductivité thermique et capacité thermique du milieu poreux pris en analyse. Mots-clés: géothermie, flux thermique, milieu poreux, modélisation, résistivité électrique.