Il disco freno e la linea di scarico sono i componenti più caldi di un veicolo. La domanda posta all'analisi termica ha di solito due livelli: sopravvive il componente stesso, e sopravvivono le parti attorno?
Freni: breve durata, potenza molto alta
Un freno converte in calore l'energia cinetica del veicolo in pochi secondi. La densità di potenza è molto alta ma la durata è breve, perciò a comandare non è lo stato stazionario ma la massa termica e il comportamento transitorio.
In frenate ripetute il calore si accumula e la temperatura del disco sale a gradini. Lo scenario critico non è una singola frenata ma frenate ripetute in discesa, oppure un ciclo in pista.
I canali di ventilazione di un disco autoventilante sono un problema di macchine rotanti: il disco è la propria pompa, la geometria delle alette fissa la portata, e quella portata varia con la velocità di rotazione.
Scarico: costantemente caldo, irraggiamento dominante
La linea di scarico lavora di continuo ad alta temperatura. Qui il meccanismo principale è l'irraggiamento, e il calore raggiunge le parti vicine — tubazioni del carburante, cablaggi, lamierati di carrozzeria, componenti in gomma — in larga misura per irraggiamento. Vedi la nota sull'irraggiamento.
Gli schermi termici esistono proprio per questo, e la loro efficacia dipende dall'emissività delle superfici e dall'intercapedine d'aria fra di esse. Il progetto di uno schermo è un problema di fattori di vista.
Lo scenario critico: heat soak dopo lo spegnimento
Quando il veicolo si ferma, il flusso d'aria cessa ma la massa calda è ancora lì. La temperatura sale per un breve tratto (heat soak), e per molti componenti quello è il momento critico — non durante la marcia ma qualche minuto dopo il parcheggio.
È per definizione un problema transitorio e coniugato, e un'analisi stazionaria lo manca del tutto. Il lato flusso è ora convezione naturale.
Riferimenti
- Modest, M. F. & Mazumder, S. (2021). Radiative Heat Transfer, 4th ed. Academic Press. ISBN 978-0-323-98406-5.
- Churchill, S. W. & Chu, H. H. S. (1975). Correlating equations for laminar and turbulent free convection from a vertical plate. International Journal of Heat and Mass Transfer, 18(11), 1323–1329. DOI: 10.1016/0017-9310(75)90243-4