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Identificazione sperimentale di modelli di scambio termico per l'ottimizzazione di scambiatori di calore

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4° Presentazione del workshop finale del progetto NPFP

Identificazione sperimentale di modelli di scambio termico per
l'ottimizzazione di scambiatori di calore

Sito web del progetto: www.npfp.it

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Identificazione sperimentale di modelli di scambio termico per l'ottimizzazione di scambiatori di calore

  1. 1. Prof. Ing. Fabio Bozzoli Centro SITEIA.PARMA - Università di Parma Identificazione sperimentale di modelli di scambio termico per l'ottimizzazione di scambiatori di calore
  2. 2. NPFP 2 • Nella progettazione degli scambiatori di calore per applicazioni industriali, al fine di risparmiare materiali e di energia, è fondamentale adottare tecniche per l’incremento dello scambio termico; • Superficie a scambio termico incrementato: una speciale superficie che fornisce migliori prestazioni termiche, per unità di superficie, rispetto alla superficie “normale” (liscia e dritta). Scambiatori di calore corrugazione della parete curvatura della parete
  3. 3. NPFP 3 Scambiatori di calore • Rugosità artificiale: inserti elicoidali, tubi corrugati, tubi bugnati; • L’utilizzo di una specifica tecnica di incremento dipende dall’applicazione:  gli inserti elicoidali non sono utilizzabili nell’industria alimentare per motivi igienici, mentre tubi corrugati e bugnati sono molto comuni;  nell’industria petrolchimica, per motivi di sicurezza, non si possono utilizzare tubi deformati meccanicamente mentre l’impiego di inserti non presenta problemi.
  4. 4. NPFP 4 Scambiatori di calore assiale • La corrugazione elicoidale è la più comune nelle applicazioni industriali poiché questo tipo di corrugazione è prodotta facilmente attraverso un processo continuo di rullatura a freddo di un tubo liscio; • La corrugazione a doppia elica incrociata si ottiene semplicemente rullando lo stesso tubo due volte generando due corrugazioni elicoidali; • Alcuni lavori preliminari hanno messo in evidenza che la corrugazione a doppia elica incrociata ha performance migliori di quella a singola elica. • Diversi tipi di corrugazione della parete: elicoidale doppia elica incrociata
  5. 5. NPFP 5 Scambiatori di calore • E’ stato studiato sperimentalmente l’effetto della corrugazione a doppia elica incrociata sui meccanismi dello scambio termico; • In particolare l’effetto di passo e profondità di corrugazione; • sono stati presi in considerazione nove tubi corrugati ottenuti da tubi lisci in acciaio inossidabile (prodotti da Mbs Srl ).
  6. 6. NPFP 6 Scambiatori di calore • ANALISI SPERIMENTALE:  riscaldamento uniforme della parete ottenuto per effetto Joule;  diverse miscele acqua/glicole ;  misura del numero di Nusselt locale, medio e asintotico;  perdite di carico.
  7. 7. NPFP 7 Scambiatori di calore • Effetto del passo e della profondità della corrugazione; 0 200 400 600 800 1000 0 10 20 30 40 50 Re Nu Tube N°1 l=13 mm e=0.6 mm Tube N°4 l=18 mm e=0.6 mm Tube N°7 l=29 mm e=0.6 mm Smooth Wall Tube [14]  l’effetto del passo è minimo;  l’effetto della profondità è molto forte;  al di sotto di un valore critico di profondità non si hanno effetti;  al di sopra di questo valore, l’incremento non dipende dalla profondità di corrugazione.
  8. 8. NPFP 8 Scambiatori di calore • L’incremento dello scambio termico generato dalla corrugazione a doppia elica incrociata è superiore a quello ottenuto con una singola elica; • C’è una forte similitudine tra i risultati ottenuti con la doppia elica incrociata e quelli relative agli inserti elicoidali. EFFICIENZA TERMICA geometria ottimizzata
  9. 9. NPFP 9 Scambiatori di calore • L’efficienza complessiva della corrugazione a doppia elica incrociata supera quella della singola elica. EFFICIENZA COMPLESSIVA: efficienza termica/perdite di carico
  10. 10. NPFP 10 Scambiatori di calore • I risultati ottenuti con fluidi di riferimento (miscele acqua/glicole) sono stati verificati utilizzando prodotti reale (ad esempio succo di albicocca)
  11. 11. NPFP 11 Scambiatori di calore • I risultati ottenuti in laboratorio sul singolo tubo sono stati verificati testando scambiatori industriali (scambiatori di calore a fascio tubiero realizzati da Mbs Spa.); • Per effettuare la verifica è stata sviluppata ed applicata un’originale procedura di elaborazione dei dati che supera i limiti del tradizionale metodo “Wilson plot”; • Questa procedura permette di stimare contemporaneamente le prestazioni del lato tubo e del lato mantello.
  12. 12. NPFP 12 Scambiatori di calore • Ottima corrispondenza tra risultati ottenuti in laboratorio sul singolo tubo e quelli ottenuti sullo scambiatore industriale a fascio tubiero; • Sono stati sviluppati modelli matematici per la progettazione degli scambiatori in oggetto.
  13. 13. NPFP 13 Superfici incrementate • A causa della corrugazione, la densità di flusso di calore scambiata tra parete e fluido varia in modo consistente nello spazio e questo, in alcune applicazioni, incide negativamente sulla qualità del prodotto ottenuto (ad esempio nell’uccisione dei batteri nella pastorizzazione degli alimenti); • Si è stimato il coefficiente di convezione locale misurando con una termocamera ad infrarossi la temperature sulla superficie esterna del tubo e risolvendo il problema inverso della conduzione nella parete.
  14. 14. NPFP 14 Scambiatori di calore Re= 400 Re= 1100 • Questi risultati sono utili per la progettazione e l'ottimizzazione di questa tipologia di scambiatori.
  15. 15. NPFP 15 Grazie per l’attenzione: www.npfp.it Partecipanti all’attività: • Fabio Bozzoli, Sara Rainieri, Luca Cattani, Chiara Freddi • Gianluca Bertoluzzi, Pietro Bertoluzzi

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