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Il metodo ibrido per la progettazione degli evaporatori a batterie alettate
Giuseppe Starace - Università LUM
Silvia Macchitella, Università del Salento, Dipartimento di Ingegneria dell?Innovazione
Gianpiero Colangelo, Università del Salento, Dipartimento di Ingegneria dell?Innovazione
Gianpiero Colangelo, Università del Salento, Dipartimento di Ingegneria dell?Innovazione
Sommario
Le prestazioni degli evaporatori a tubi alettati sono influenzate dalle scelte fatte durante la progettazione. In questo lavoro sono state studiate diverse configurazioni circuitali del refrigerante insieme alla variazione dei parametri operativi. Le prestazioni sono state calcolate con il metodo ibrido e sono stati adottati criteri di valutazione delle prestazioni (PEC) per selezionare il layout migliore. Il metodo ibrido è stato migliorato con l'obiettivo di modellare evaporatori con circuitazioni complesse.
Una buon processo di progettazione e ottimizzazione risulta di grande importanza per gli scambiatori di calore al fine di ridurre i costi di produzione e di esercizio. Tale processo dovrebbe essere snello e accurato allo stesso tempo: spesso gli scambiatori di calore sono sovradimensionati a causa della scarsa accuratezza di progettazione che induce inevitabilmente costi di produzione più elevati, mentre, d'altra parte, una maggiore precisione ottenuta con approcci CFD può rallentare gravemente il processo di ottimizzazione e produrre ancora elevati costi di progettazione.
Al fine di ridurre gli sforzi computazionali, pur ottenendo un'elevata precisione dei risultati, Starace et al. [1] hanno sviluppato una procedura di progettazione alternativa, il metodo ibrido, utilizzando un approccio multiscala a partire da set di dati provenienti da correlazioni numeriche, analitiche o da indagini sperimentali.
Il metodo ibrido è stato implementato con successo su scambiatori di calore compatti a flusso incrociato utilizzando i risultati delle simulazioni CFD eseguite da Carluccio et al. [2] su entrambe le superfici alettate degli scambiatori di calore. Quindi, è stato adattato a condensatori evaporativi controcorrente utilizzando dati provenienti da indagini sperimentali su piccola scala [3]. I risultati mostrano come il metodo sia efficace nel prevedere la temperatura e l'umidità in uscita con una deviazione rispettivamente del 2,5% e del 4% rispetto ai dati sperimentali.
Lo stesso metodo è adatto anche per il calcolo delle prestazioni di evaporatori a piastre alettate con layout di circuitazioni semplici [4]. Altri approcci che utilizzano la discretizzazione ad elementi finiti sono stati sviluppati per la progettazione di scambiatori ad alette e tubi come quello proposto da Corberan et al. [5] applicato su evaporatori e condensatori a tubi alettati, che considerano anche il processo di deumidificazione dell'aria. Tarrad e Al-Nadawi [6] hanno sviluppato un modello numerico su piccola scala per calcolare le prestazioni degli evaporatori a tubo alettato che lavorano con refrigeranti puri e zeotropici, mostrando una buona corrispondenza tra dati calcolati e dati sperimentali. Correlazioni empiriche sono state invece utilizzate per valutare i coefficienti di scambio termico, le perdite di carico e i regimi di flusso all'interno dei tubi di un evaporatore ad alette e tubi attraverso il modello proposto da Tong et al. [7]. Un approccio a volume finito è stato utilizzato anche da Joppolo et al. [8] per studiare l'influenza del layout delle circuitazioni sulle prestazioni di un condensatore ad alette e tubi attraverso il metodo ?-NTU. Algoritmi genetici o strumenti di simulazione per l'ottimizzazione dei circuiti frigoriferi sono stati sviluppati considerando la capacità massima dello scambiatore di calore [9,10], la superficie minima di scambio termico a parità di velocità di scambio termico [10] o la produzione minima di entropia [11], senza valutare la caduta di pressione del refrigerante e quindi i costi operativi durante il processo di ottimizzazione. Secondo gli studi condotti da Yun e Lee [12] e Matos et al. [13], il modo migliore per ridurre i costi e ottimizzare la geometria di uno scambiatore di calore è modificare il layout delle circuitazioni rispetto alla modifica di altri parametri come la geometria dell'aletta e del tubo o gli ingombri che sono spesso condizionati da
vincoli di produzione e installazione.
Al fine di ridurre gli sforzi computazionali, pur ottenendo un'elevata precisione dei risultati, Starace et al. [1] hanno sviluppato una procedura di progettazione alternativa, il metodo ibrido, utilizzando un approccio multiscala a partire da set di dati provenienti da correlazioni numeriche, analitiche o da indagini sperimentali.
Il metodo ibrido è stato implementato con successo su scambiatori di calore compatti a flusso incrociato utilizzando i risultati delle simulazioni CFD eseguite da Carluccio et al. [2] su entrambe le superfici alettate degli scambiatori di calore. Quindi, è stato adattato a condensatori evaporativi controcorrente utilizzando dati provenienti da indagini sperimentali su piccola scala [3]. I risultati mostrano come il metodo sia efficace nel prevedere la temperatura e l'umidità in uscita con una deviazione rispettivamente del 2,5% e del 4% rispetto ai dati sperimentali.
Lo stesso metodo è adatto anche per il calcolo delle prestazioni di evaporatori a piastre alettate con layout di circuitazioni semplici [4]. Altri approcci che utilizzano la discretizzazione ad elementi finiti sono stati sviluppati per la progettazione di scambiatori ad alette e tubi come quello proposto da Corberan et al. [5] applicato su evaporatori e condensatori a tubi alettati, che considerano anche il processo di deumidificazione dell'aria. Tarrad e Al-Nadawi [6] hanno sviluppato un modello numerico su piccola scala per calcolare le prestazioni degli evaporatori a tubo alettato che lavorano con refrigeranti puri e zeotropici, mostrando una buona corrispondenza tra dati calcolati e dati sperimentali. Correlazioni empiriche sono state invece utilizzate per valutare i coefficienti di scambio termico, le perdite di carico e i regimi di flusso all'interno dei tubi di un evaporatore ad alette e tubi attraverso il modello proposto da Tong et al. [7]. Un approccio a volume finito è stato utilizzato anche da Joppolo et al. [8] per studiare l'influenza del layout delle circuitazioni sulle prestazioni di un condensatore ad alette e tubi attraverso il metodo ?-NTU. Algoritmi genetici o strumenti di simulazione per l'ottimizzazione dei circuiti frigoriferi sono stati sviluppati considerando la capacità massima dello scambiatore di calore [9,10], la superficie minima di scambio termico a parità di velocità di scambio termico [10] o la produzione minima di entropia [11], senza valutare la caduta di pressione del refrigerante e quindi i costi operativi durante il processo di ottimizzazione. Secondo gli studi condotti da Yun e Lee [12] e Matos et al. [13], il modo migliore per ridurre i costi e ottimizzare la geometria di uno scambiatore di calore è modificare il layout delle circuitazioni rispetto alla modifica di altri parametri come la geometria dell'aletta e del tubo o gli ingombri che sono spesso condizionati da
vincoli di produzione e installazione.
IL METODO IBRIDO
L'evaporatore considerato nel presente lavoro è uno scambiatore a tubi alettati sfalsati, funzionante con un refrigerante che evapora a causa dello scambio termico che avviene con l'aria che scorre tra le alette nel verso normale ai tubi. Il flusso del refrigerante è suddiviso in due o più circuiti complessi, costituiti dallo stesso numero di tubi. Le curve che uniscono i tubi sono trascurate dal processo di scambio termico e, quindi, considerate adiabatiche.
Il modello utilizza una matrice tridimensionale per identificare ciascuna delle celle elementari centrate sul tubo in cui è suddivisa l'intera geometria dello scambiatore (Fig. 1). Poiché l'evaporatore è disposto in tubi sfalsati, sul fondo delle file dispari e alla sommità di ogni fila pari è posta una cella di bordo che non ospita alcun tubo. Il calcolo dei parametri nelle celle di confine viene trattato separatamente. Per tutte le altre celle la potenza termica viene calcolata tramite una procedura iterativa che necessita dei seguenti dati di input: - la geometria dello scambiatore; - lo schema delle circuitazioni; - le condizioni di esercizio; - i coefficienti di regressione, ottenuti applicando i risultati di studi sperimentali, numerici o analitici.
Conclusioni
In questo lavoro il metodo ibrido è stato dotato di una nuova funzionalità al fine di renderlo adattabile agli evaporatori a piaster e tubi alettati con configurazioni circuitali complesse. Il modello multiscala che esegue un'analisi locale per ottenere le proprietà di trasferimento del calore su ciascun volume elementare, è stato implementato per confrontare diversi layout di circuiti al fine di fornire ai progettisti elementi utili durante il processo di progettazione. Alcune correlazioni sperimentali presenti in letteratura sono state utilizzate per trovare, attraverso la tecnica di regressione, la funzione di previsione, poi utilizzata per calcolare le proprietà termodinamiche lato refrigerante e lato aria. Sono stati eseguiti quattro diversi test su tre serie di circuiti. I risultati hanno mostrato che la potenza termica diminuisce quasi linearmente all'aumentare del numero di circuiti considerato, mentre le cadute di pressione del refrigerante diminuiscono fortemente con un andamento parabolico dovuto alla riduzione della portata attraverso ciascun circuito, per tutti i refrigeranti testati (R134a, R410a, R32, R404a, R507a,
R1234yf, R1234ze).
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