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

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. NPFP 15
Grazie per l’attenzione:
www.npfp.it
Partecipanti all’attività:
• Fabio Bozzoli, Sara Rainieri,
Luca Cattani, Chiara Freddi
• Gianluca Bertoluzzi, Pietro
Bertoluzzi