Analisi e misurazione del fenomeno di sublimazione del ghiaccio secco con Particle Image Velocimetry e termografia

Dry ice (solid CO2) is widely used in the modern era, mainly as a refrigerant (but also in the medical field and for food purposes) due its very low triple point (-56.5° C). When it changes state of matter it goes directly from solid to gas, bypassing the liquid phase, so it sublimates without melting first like other substances. In the last years (since 2015) the demand for CO2 has been continuously increasing because of its proprieties in terms of protecting the ozone layer, compared to other substances, so it has been more and more used in the modern technologies, especially regarding refrigerant systems. The main issues with carbon dioxide are the accidental release of it, which can be dangerous under some conditions and with a particular size and density of the particles of CO2, and transportation, since it exists in the solid state only below very strict temperatures. It can be transported as a solid through train, truck or pipelines only. During the transport leakage can occur very easily and droplets could form in the pipes, leading to the consequential sublimation and obstruction of the system. The motion of dry ice particles formed in the pipelines during a downward release is shown through various diagrams, graphs and equations. It is shown that the main factors which influence the motion of dry ice particles are diameter, wind velocity and friction, while humidity and solar radiation don’t affect considerably the process of sublimation of the particles. An experiment has been carried out regarding the sublimation of a CO2 solid block, positioned inside a glass case, in order to obtain the temperature in different areas of the setup and observe how it varies depending on the distance from the dry ice. The methods used to carry out the experiment shown are PIV (Particle Image Velocimetry) and thermography. The PIV method is experimental and widely used in fluid mechanics and aerodynamics. It consists of recording the motion of microscopic particles and taking photos every constant interval of time, image processing methods are then used to determine the particle motion and velocity. The thermography method uses thermal imager to detect heat, convert it into temperature and display the image of temperature distribution (thermographs). The main instruments used in the experiment are thermocouples, sensors for measuring temperature that consist in two metal wires joined at one end and connected to a thermography thermometer. They are very versatile and easy to install and use, so they are commonly utilized for a wide range of applications. The experiments carried out are divided into two different setups that are shown and described from various angles (front, side and above) through graphical representations. The results are shown in the graphs through a correlation 4 of temperature and time. It can be noted that CO2 sublimates at a very slow rate and, once reaching the minimum point, the average temperatures of the thermocouples close to the block of dry ice increase gradually.

Il ghiaccio secco ( CO2 solida) è molto utilizzata nell’ era moderna, principalmente come refrigerante (ma anche in campo medico e per scopi alimentari) grazie al suo punto critico molto basso (-56.5°C). Quando passa da uno stato della materia all’ altro va direttamente da solido a gassoso, saltando quello liquido, quindi sublime senza fondere come le altre sostanze. Negli ultimi anni (dal 2015) la richiesta di CO2 sta continuamente aumentando grazie alle sue proprietà chimiche per la protezione dello strato di ozono, in contrasto con le altre sostanze utilizzate, quindi è stato sempre più utilizzato per quanto riguarda le tecnologie moderne, soprattutto nei sistemi di refrigerazione. I problemi principali del diossido di carbonio sono il rilascio accidentale nell’ aria, il quale può risultare pericoloso in alcune condizioni e con un particolare diametro e densità delle particelle rilasciate, e il trasporto, dato che esiste allo stato solido solamente sotto temperature molto basse. Può essere trasportato solamente attraverso treni, camion o tubature. Durante il trasporto le perdite possono accadere molto facilmente e ciò porta alla formazione involontaria di gocce nei tubi, che possono successivamente sublimare e portare a ostruire tutto il sistema di trasporto. Il moto delle particelle di ghiaccio secco formate nelle tubature durante un rilascio verso il basso è mostrato attraverso vari grafici, diagrammi ed equazioni. I principali fattori di influenza del moto delle particelle sono diametro, velocità del vento e attrito, mentre umidità e radiazioni solari non influenzano considerevolmente il processo di sublimazione delle particelle. Un esperimento è stato eseguito sulla sublimazione di un blocco di CO2, posizionato in una teca di vetro, per ottenere la temperatura in zone diverse della configurazione ed osservare come varia in funzione della distanza dal blocco di ghiaccio secco. I metodi usati per eseguire gli esperimenti mostrati sono PIV (Particle Image Velocimetry) e termografia. La tecnica PIV è sperimentale e largamente utilizzata in fluidomeccanica e aerodinamica. Consiste nel registrare il moto delle particelle microscopiche e fotografarle ogni intervallo costante di tempo, successivamente delle tecniche di lavorazione sono usate per determinare il moto e la velocità delle particelle. Il metodo della termografia 5 utilizza un registratore di immagini termico per rilevare calore, convertirlo in temperatura e mostrare l’ imagine di distribuzione di temperatura (termografici). Il principale strumento utilizzato nell’ esperimento sono le termocoppie, dei sensori per misurare la temperatura che consistono in due cavi di metallo che si uniscono all’ estremità e sono connessi ad un termometro termografico. Sono molto versatili e facili da installare e usare, quindi sono molto utilizzate per un’ ampia gamma di applicazioni. Gli esperimenti eseguiti si divisono in due configurazioni differenti che sono mostrate e descritte da diverse angolazioni (davanti, di lato e sopra) attraverso rappresentazioni grafiche. I risultati sono mostrati nei grafici tramite una correlazione di temperatura e tempo. Può essere notato che la CO2 sublima in modo molto lento e, una volta raggiunto il punto minimo, la temperatura media delle termocoppie vicine al blocco di ghiaccio secco aumenta gradualmente.