Aletta di raffreddamento

Scritto da Valerio Rossi Domenica 25 Gennaio 2009

Tutti noi abbiamo sempre visto la classica aletta di raffreddamento dei motorini, dei processori dei pc o dei radiatori, ma come funziona? E soprattutto conviene sempre usarla? L'aletta di raffreddamento non è nient'altro che un prolungamento della superficie utile allo smaltimento di calore.

Ad esempio in un motore a combustione interna il calore generato dalla combustione in parte viene convertito in lavoro e sfruttato dall'albero, in parte deve essere smaltito per evitare surriscaldamenti dei materiali. Se ipotizziamo che il nostro motore sia un cilindro l'unico modo per disperdere calore è per convezione, ed in parte per irraggiamento, attraverso la superficie esterna.

In prima approssimazione possiamo trascurare il termine di irraggiamento e considerare solo la convezione naturale o forzata con l'aria circostante; quindi avremmo una convezione naturale se lasciato raffreddare spontaneamente, e forzata se utilizziamo una ventola. E' intuitivo pensare che se aumentiamo la superficie di scambio termico, avremmo un maggio scambio di calore tra fluido e superficie; in realtà non è propriamente vero.

Ci sono delle condizioni in cui l'uso di un'aletta di raffreddamento può risultare controproducente, in particolare il rapporto $(h*A)/(lambda*P)$ deve essere minore di uno. In questo modo otteniamo un flusso termico scambiato in presenza di aletta di raffreddamento maggiore di quello scambiato con la superficie originale. I termini della precedente relazione sono rispettivamente il coefficiente di scambio termico convettivo h, la sezione dell'aletta A, il coefficiente di conducibilità termica $lambda$ ed infine il perimetro della sezione dell'aletta P. Attualmente una valutazione ingegneristica su un'alettatura viene eseguita tramite tecniche agli elementi finiti o ai volumi finiti, cioè con l'uso di metodi numerici ed implementazioni al calcolatore, ma possiamo basarci in prima approssimazione anche su una sommaria interpretazione del fenomeno.

La trasmissione del calore avviene quindi prima per conduzione dalla base dell'aletta e poi prosegue lungo l'aletta sia per conduzione nel materiale dell'aletta stessa e sia per convezione tramite la superficie esterna. Ovviamente vi starete chiedendo perchè non è stato ancora nominato il buon raffreddamento a liquido? Il motivo è che parliamo di due sistemi differenti sia dal punto di vista ingegneristico sia dal punto di vista fisico.

L'utilizzo di un fluido refrigerante allo stato liquido conferisce al sistema una capacità termica di diversi ordini di grandezza maggiore, motivo per il quale sarà affrontato in un altro articolo. In realtà anche in questi impianti viene adoperato l'aletta di raffreddamento...ma certo, nel radiatore! Avete mai visto il radiatore della vostra macchina da vicino? E' composto da tantissime alette che hanno lo scopo di migliorare lo scambio termico tra i tubi del liquido refrigerante e l'aria.