Simulazione termica delle canne | Armi e Strumenti

Simulazione termica delle canne


 

 

Sull’articolo precedente, relativo allo studio dei vari profili di canna (link), abbiamo affrontato la trattazione teorica circa il presunto vantaggio in raffreddamento delle canne scanalate. L’argomento è certamente controverso ed inoltre nella pratica alcuni effetti secondari potrebbero alterare pesantemente il risultato dell’analisi teorica. Volendo entrare maggiormente nel dettaglio abbiamo realizzato una sperimentazione che esamina alcuni aspetti del comportamento termico delle canne da carabina.

Considerazioni generali

Sappiamo che durante lo sparo una grande quantità di calore viene trasmessa, dai gas di deflagrazione e in misura minore anche dalla frizione del proiettile, alla superficie interna della canna e per conduzione all’intera canna dell’arma. Prima che un’altra cartuccia venga sparata, la canna ha il tempo di raffreddarsi, ma solo una piccola quantità di calore viene trasferita all’ambiente per convezione e radiazione, cosa che porta la temperatura della canna ad aumentare colpo dopo colpo.

L’incremento di temperatura determina una serie di fenomeni indesiderati: incrementa l’erosione della rigatura, altera la temperatura e le proprietà combustive del propellente di una eventuale cartuccia già incamerata ed inoltre, il riscaldamento della canna provoca una più o meno marcata distorsione della stessa con l’alterazione del punto di impatto dei proiettili.

La distorsione assiale della canna in queste condizioni è da attribuire principalmente ai seguenti fenomeni combinati: tensioni nel metallo dovute ai processi di realizzazione della canna e della rigatura esaltate dallo stress termico, dilatazioni assialmente non simmetriche dovute al non perfetto centraggio della foratura da riferire anche al conseguente riscaldamento asimmetrico delle pareti della canna (la parte sottile si scalderà più rapidamente della parte più spessa), raffreddamento asimmetrico della superficie esterna dovuta a correnti d’aria e al moto convettivo dell’aria (la parte inferiore libera della canna tende ad esempio a raffreddarsi più rapidamente della parte superiore).

Per quanto detto la capacità di dissipazione della canna assume notevole importanza perché la rapida normalizzazione della temperatura permette di ritornare alle condizioni di partenza garantendo la ripetibilità dei colpi.

 

Condizioni del test

In questa sperimentazione il nostro intento è stato quello di rilevare il comportamento termico di tre profili possibili di canne. Per far questo ci siamo serviti di alcuni provini realizzati al tornio, lunghi 650mm, in acciaio C40 (classico acciaio da bonifica avente lo 0,4% di carbonio) coperti da un sottile strato di vernice opaca nera per alte temperature. Le caratteristiche delle canne simulate sono le seguenti (si veda anche l’immagine dei provini):

1) canna pesante da tiro simile a quella del Remington 700VLS o del Savage 10FP
Calibro: .308” (diametro medio interno arrotondato da 7.7mm a 8mm)
Diametro esterno: 21.6mm
Scanalature: No
Peso: 1625g

2) canna scanalata simile a quella del Remington 700VSF o del Savage 12BVSS
Calibro: .308” (diametro medio interno arrotondato da 7.7mm a 8mm)
Diametro esterno: 21.5mm
Scanalature: 6 su 360°, fondo semicircolare con diametro 6mm, profonde 4.3mm
Peso: 970g

3) canna leggera da caccia (canna di pari peso rispetto alla scanalata)
Calibro: .308” (diametro medio interno arrotondato da 7.7mm a 8mm)
Diametro esterno: 17.5mm
Scanalature: No
Peso: 960g

Profili canna realizzati e loro disegno

 

Grazie all’ausilio di un riscaldatore autocostruito da 1200W, con la parte attiva lunga 65cm inserita all’interno del foro passante di ciascun provino, abbiamo rilevato la resistenza termica dei profili ed il comportamento termico dopo una somministrazione di calore simile a quella che avviene allo sparo di una sequenza di colpi (per la rilevazione della temperatura superficiale del provino ci siamo avvalsi di un sensore termico tipo LM135 e di un diodo 1N4148 per la temperatura del riscaldatore).

Riscaldatore autocostruito
(è stato realizzato con filo di rame smaltato, due resistenze a filo NiCr , dei tubetti isolanti in fibra di vetro tessuta e resina siliconica e del nastro in Kapton)

 

Il sistema di misura in aria ferma prevede la canna appesa orizzontalmente con sottili fili metallici ad un supporto in legno, quest’ultimo posto più in alto ad una distanza di circa 25cm. L’uso di un oscilloscopio ha permesso il monitoraggio e la registrazione dei segnali elettrici dei sensori termici per la successiva elaborazione numerica delle temperature. Il contatto termico del riscaldatore e dei sensori ai provini è stato assicurato con del grasso siliconico, la temperatura ambiente rilevata ad 1m dal sistema era stabile a 25°C, la temperatura dei provini è stata misurata nel loro punto mediano superiore (vedi foto).

Disposizione del provino per il test
(si noti il sensore termico applicato sul punto mediano)

 

Rilevazioni effettuate

Nei nostri test abbiamo condotto tre tipi di rilevazioni: la stima della resistenza termica dei profili, la misura dei tempi di raffreddamento a partire da una medesima condizione iniziale, la dinamica di riscaldamento e raffreddamento dopo una ipotetica sequenza di colpi.

• Resistenza termica
La misura di resistenza termica è stata condotta impostando la potenza del riscaldatore a circa 170W costanti ed attendendo la stabilizzazione termica del sistema. La temperatura della canna scanalata si è stabilizzata in queste condizioni a 158°C, la pesante a 162°C, quella leggera (pari peso) a 170°C. La resistenza termica (Rth) sarà data dal seguente rapporto:

con:
T = temperatura finale della canna
Ta= temperatura ambiente
Pd= potenza dissipata

Immagine all’infrarosso di un provino: particolare del punto di contatto tra il sensore termico ed il profilo scanalato

 

Dalla relazione sopra esposta e dalle rilevazioni sperimentali otteniamo i seguenti valori:

Profilo canna Rth (°C/W)
Scanalata 0.74
Pesante da tiro 0.77
 Leggera da caccia 0.81

Come supposto sul precedente articolo, la canna scanalata risulta avere la migliore capacità di dissipazione, la peggiore è invece quella della canna leggere ma, contrariamente all’ipotesi teorica basata sull’incremento di superficie (link), le differenze tra le resistenze termiche sono comprese mediamente in un esiguo 10% (contro più del 50% teorico nell’ipotesi di avere costante per tutti i profili il coefficiente di trasferimento del calore “h”). Evidentemente alcuni fenomeni parassiti riducono la superficie efficace di dissipazione della canna scanalata. Riassumiamo sulla tabella a seguire la comparazione tra i risultati teorici del precedente articolo (in rosso) e quanto ottenuto sperimentalmente (in verde):

Profilo Sup. (cm2) Var. sup. (%) Ipotesi teorica Dato sperimentale*
h Rth Vantaggio (%) h Rth Vantaggio (%)
Scanalato 640 45  13  1.2 31  21   0.74  3
Pesante da tiro 441 0 13  1.74  0 30 0.77 0
Leggero da caccia 357 -19 13 2.15 -23 34 0.81 -6
La resistenza termica “Rth” espressa in (°C/W) è solo quella di convezione ed irraggiamento essendo trascurabile rispetto a quest’ultima quella di conduzione (metallo della canna).

Con “h” si intende il coefficiente totale di trasmissione del calore quindi è la somma di convezione + irraggiamento, esso è espresso in (W/[m2 °C])

(*) Attenzione: i valori calcolati di “Rth” ed “h” potrebbero avere non trascurabili margini di incertezza

 

Per quel che possiamo intuire è possibile che la ridotta efficienza in dissipazione della scanalatura sia riconducibile all’effetto controproducente di quello che viene chiamato strato limite. In pratica infatti un corpo caldo immerso in aria dissiperà per irraggiamento (consistente per temperature prossime e superiori ai 200°C) e convezione. Per convezione si intende una corrente d’aria circostante al corpo che tenderà a raffreddarlo. Il moto dell’aria è generato proprio dallo scambio termico in corso, il quale, per il fatto di modificare le caratteristiche del fluido (l’aria) ed in particolare la sua densità, origina uno spostamento di massa (volumi d’aria con più bassa densità tendono a salire richiamando al loro posto volumi d’aria con densità maggiore). In queste condizioni la convezione viene detta naturale o libera ossia non forzata con accorgimenti specifici come ad esempio ventilatori, pompe, etc.

Instaurato il moto convettivo, si viene a creare in prossimità della superficie della canna una sorta di strato d’aria che si muove a velocità più bassa rispetto alla corrente convettiva di poco più esterna. Possiamo immaginare il provino termico visto di profilo come avvolto da strati sottili d’aria molto lenti in prossimità della parte esterna dell’oggetto e aventi velocità via via crescente allontanandosi da esso (vedi immagine a seguire). Gli strati più vicini si porteranno a temperatura più elevata e tenderanno a ristagnare, formando così una sorta di “cuscinetto” isolante (l’aria ha una bassa conducibilità termica) che limita fortemente le capacità dissipative.

Il profilo scanalato rispetto al corpo della canna, risulta avere appendici poco in rilievo che “coperte” dallo strato limite, potrebbero determinare una superficie di dissipazione effettiva ridotta rispetto alla totale disponibile (o per converso, a parità di superficie considerata, va a ridursi notevolmente il coefficiente di trasmissione del calore “h”). In altre parole, le capacità di dissipazione statica dipendono certamente dalla superficie esposta del provino ma, cosa che avevamo trascurato nella precedente valutazione teorica, anche dalla sua geometria. Non dobbiamo comunque dimenticare che in condizioni di ventilazione più intensa o per il raggiungimento di temperature più elevate (maggiore irraggiamento e moti convettivi più turbolenti), le caratteristiche dissipative del profilo scanalato potrebbero migliorare sensibilmente.

Schemi dello strato limite supponendo di osservare la canna da una estremità
(D è il diametro esterno della canna, T la sua temperatura, T∞ quella ambiente, δt lo strato limite)

• Tempi di raffreddamento
Partendo da una temperatura iniziale costante di 150°C si sono valutati i tempi di raffreddamento dei tre profili. Sul grafico a seguire si può notare come la canna pesante abbia tempi di raffreddamento superiori determinati dall’inerzia termica maggiore (capacità termica) essa infatti pesa circa 1.6Kg contro i 950 grammi circa degli altri profili.

Raffreddamento provini a partire da una temperatura di 150°C

 

E’ interessante notare che il profilo scanalato ed il profilo leggero pari peso, hanno appunto il medesimo peso e quindi la medesima capacità termica (inerzia) ma, il profilo scanalato tende a raffreddarsi a velocità lievemente più elevata grazie alla più bassa resistenza termica. I calcoli sui tempi confermano un vantaggio in termini di resistenza termica (Rth) di circa il 10% dello scanalato sul pari peso (canna leggera da caccia).

• Dinamica termica
con questa rilevazione si voleva simulare il comportamento termico delle canne dopo una certa sequenza di colpi. Si è partiti considerando una ricarica tra le possibili per il .308 ed avendo parlato in altri articoli della polvere IMR4350, abbiamo considerato questo propellente. La ricarica esaminata prevede 47 grani di IMR4350, dietro palla da 110gr che da tabella verrà lanciata a circa 760m/s.

Sappiamo che il potere calorifico della IMR4350 è prossimo a 3725 Joule/grammo, 47 grani di polvere svilupperanno quindi una energia totale di circa 11345 Joule. Supponendo una perdita di calore in canna, compresa la frizione del proiettile, di quasi il 28% dell’energia iniziale (valore medio tra i diversi testi consultati) otteniamo una energia di riscaldamento ceduto alla canna ad ogni colpo di 3120 Joule. Disponendo di un riscaldatore da 1200W (1W=1J/s) otteniamo che possiamo avere un riscaldamento equivalente lasciando acceso il riscaldatore per 2.6 secondi (1200•2.6=3120 Joule).

In altre parole ogni accensione del riscaldatore per 2,6 secondi dovrebbe determinare il medesimo riscaldamento provocato dalla deflagrazione di un colpo assemblato così come sopra indicato.

Come rateo dei colpi, abbiamo simulato 20 deflagrazioni ciascuna intervallata da 20 secondi di pausa. Ecco quanto ottenuto:

 

Rilevazione all’oscilloscopio nel caso di provino scanalato

 

Nell’immagine sopra abbiamo l’informazione “grezza”, non elaborata: la traccia in giallo rappresenta la temperatura del riscaldatore con una scala invertita di 30°C/div (il picco raggiunge e supera 185°C). La traccia verde rappresenta l’erogazione di energia dei colpi, come detto ad ogni impulso vengono forniti al sistema 1200W per 2,6 secondi. La traccia blu rappresenta l’incremento di temperatura del provino (in questo caso lo scanalato) con scala 20°C/div (lo zero delle tracce è 25°C). Elaborati i dati così ottenuti ricaviamo il grafico generale a seguire:

Dinamica termica dei provini dopo una sequenza simulata di 20 colpi

 

Il comportamento è quello atteso: si nota subito che dopo la sequenza di colpi sia il provino “pari peso” che quello scanalato si portano ad una temperatura massima simile e prossima ad 80°C (scanalata=77°C; pari peso=80°C) con un lieve vantaggio per lo scanalato grazie alla minore resistenza termica; il provino che simula la canna pesante grazie alla propria inerzia termica ha invece un picco inferiore e non supera i 64°C. Una temperatura massima di 80°C per le moderate prestazioni della ricarica considerata ci sembra verosimile. Con ricariche più sostenute ed una sequenza di colpi simile nella realtà si raggiungono e superano facilmente i 100°C. Sul grafico notiamo inoltre che, nonostante sia cessata la somministrazione di energia (ultimo impulso), la temperatura dei provini continua a salire per ancora un minuto e mezzo circa sino al raggiungimento dei valori massimi. Successivamente, il tempo richiesto ai provini per raffreddarsi sino a 45°C differisce solo di circa 2 minuti da un profilo all’altro, intervallo molto contenuto se comparato al tempo totale dall’inizio della sequenza di colpi: circa 24 minuti (poco più dell’8%).

Esaminando con maggiore attenzione la sola fase di riscaldamento (vedi grafico successivo) osserviamo che l’inerzia del sistema è tale che solo in prossimità del secondo colpo la temperatura per il provino scanalato ed il pari peso inizia a crescere; addirittura solo in prossimità del terzo colpo (45 secondi dall’inizio) per il provino pesante. Vediamo anche che nei 20 secondi di pausa tra un colpo ed il successivo, la temperatura superficiale della canna non tende a ridursi, in altre parole la dinamica di raffreddamento viene superata dall’inerzia termica in riscaldamento del sistema.

Dinamica termica dei provini dopo una sequenza simulata di 20 colpi
Fase iniziale del riscaldamento

 

Conclusioni

Sul precedente articolo avevamo concluso il raffronto tra canna scanalata, pari peso (da caccia) e pesante in questo modo: “a parità di diametro della canna in termini di precisione risulta potenzialmente migliore una canna piena ma, in termini di rateo teorico dei colpi e portatilità è migliore una canna scanalata. A parità di peso invece è da preferire da ogni punto di vista la canna scanalata”.

Dopo questo approfondimento confermiamo che una canna scanalata è sempre da preferire ad una canna piena di pari peso anche termicamente. Per ciò che riguarda invece il confronto tra una canna scanalata ed una canna piena di pari diametro massimo (pesante da tiro), alla luce dei risultati sperimentali dobbiamo correggerci: la canna pesante da tiro sarà da preferire non solo per la maggiore precisione potenziale (rigidità) ma anche dal punto di vista termico (almeno per i test effettuati e per le temperature raggiunte), potendo contare su una maggiore inerzia e su una resistenza termica non particolarmente più elevata rispetto alla scanalata. La canna scanalata in quest’ultima comparazione ha quindi ragion d’essere solo se si ricercano caratteristiche di portatilità (riduzione del peso) a discapito di precisione potenziale e possibile dinamica termica.

Speriamo che quanto sopra sia di interesse ed aiuti ulteriormente nella possibile scelta di un sistema d’arma.

 


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    4 Commenti

    1. Roberto

      Ottima prova e ottimo articolo, i miei complimenti!

    2. giannetto

      sono di nuovo a ringraziare per la deliziosa analisi da voi fatta. cosa dire COMPLIMENTI

    3. alessandro bianchi

      Sicuramente la pazienza è la vostra forza.
      Esperimento complesso, ma utile, per indirizzare un acquirente nella scelta d’acquisto.
      Sarebbe bello leggere anche la sopportazione termica tra i vari tipi d’acciaio. Quello inox, notoriamente conosciuto come cattivo conduttore termico, potrebbe riservare sorprese,
      forse utili per l’assemblaggio di una carabina di precisione.
      Complimenti per l’impegno. Un caro saluto.

    4. roberto s

      Salve
      In quanto alle canne rivestiste in fibra di carbonio come alcune della marca Douglas
      Che prove sono state fatte o cosa mi sanno dire con rispetto a questo articolo

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