Modellizzazione e misure di proprietà di trasporto nello scambio di calore e di massa nei mezzi porosi

This PhD thesis treats the problem of modeling and measurement of transport properties in heat exchange and mass transfer in porous media. The study has been addressed by dividing the work into two successive stages: at first, the theoretical/experimental evaluation of the thermal behavior of some building porous materials was performed, with particular attention to high temperatures and under conditions of saturation; secondly, the theoretical/experimental characterization of the thermal behavior of porous media was performed with particular attention to the presence of different moisture contents. The study was performed using two different instruments. In the first phase, the equipment used was the so called Hot Disk Thermal Constant Analyzer, which operates under transient state; it allows us to trace, independently, to the thermal conductivity, specific heat and thermal diffusivity of the studied material, working iteratively starting from the temperature it measured. The experimental measurements of thermal conductivity were carried out on autoclaved aerated concrete specimens and bentonite cement mortar specimens. The second instrument, we used, is the so called Heat Flow Meter (HFM); it returns the thermal conductivity value of the studied material operating in steady state. Furthermore, the finite element numerical code HMTra (previously developed in the Dipartimento di Fisica Tecnica dell’Università degli studi di Padova) was used for the theoretical characterization of the problem concerning the different moisture contents. The code was properly modified in order to be applied for the simulation of the test material behavior. The heat and mass coupled transport (caused by the imposition of the thermal gradient in the HFM apparatus) was studied through this code and the transport of latent heat, due to the succession of moisture condensation and re-evaporation into the capillaries, was taken into account, as well as the redistribution of moisture. The numerical code was developed for autoclaved aerated concrete and it was validated by comparison with the experimental data

La presente Tesi di Dottorato tratta il problema della modellizzazione e misura di proprietà di trasporto nello scambio di calore e di massa nei mezzi porosi. Lo studio è stato affrontato suddividendo il lavoro in due fasi successive: in un primo momento si è seguita la valutazione teorico/sperimentale del comportamento termico di alcuni materiali porosi utilizzati in ambito edilizio, con particolare attenzione nei riguardi delle alte temperature ed in condizioni di saturazione e, in seconda battuta, la caratterizzazione teorico/sperimentale del comportamento termico dei materiali porosi, con particolare attenzione nei riguardi della presenza di diversi contenuti di umidità. In particolare, lo studio è stato eseguito avvalendosi di due diverse strumentazioni. Nella prima fase, l’apparecchiatura utilizzata è stata l’Hot Disk Thermal Costant Analyzer, che opera in regime variabile, e che permette di risalire, in modo indipendente, operando iterativamente a partire dalle temperature da esso misurate, alla conduttività termica, al calore specifico ed alla diffusività termica del materiale allo studio. Le misure sperimentali di conduttività termica sono state effettuate su provini di calcestruzzo aerato autoclavato e su malte cementizie a base bentonitica. Il secondo strumento utilizzato è l'€™apparecchiatura a termoflussimetri HFM (Heat Flow Meter), che, operando in regime stazionario, restituisce il valore della conduttività termica del materiale studiato. Per la caratterizzazione teorica del problema riguardante i diversi contenuti di umidità, inoltre, ci si è avvalsi del codice di calcolo numerico agli elementi finiti HMTra (sviluppato precedentemente nel Dipartimento di Fisica Tecnica dell’Università di Padova), al quale sono state apportate opportune modifiche al fine di essere applicato per la simulazione del comportamento dei provini del materiale in esame. Attraverso questo codice è stato possibile studiare in modo accoppiato il trasporto di calore e di massa (causato dall’imposizione del gradiente termico nell’apparecchiatura HFM), tenendo conto, oltre che della redistribuzione dell'umidità, anche del trasporto di calore latente dovuto al succedersi dei fenomeni di condensazione e rievaporazione dell’umidità nei capillari. Il codice di calcolo è stato sviluppato per il calcestruzzo aerato autoclavato e validato per confronto con i dati ottenuti sperimentalmente