Progettazione ed analisi CFD di un innovativo scambiatore di calore a piastre per applicazioni ad alta temperatura

Centazzo, Davide (2020) Progettazione ed analisi CFD di un innovativo scambiatore di calore a piastre per applicazioni ad alta temperatura. Bachelor thesis, Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana.

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Abstract

Il seguente progetto propone lo studio e l’analisi di uno scambiatore di calore a piastre in materiale ceramico da utilizzare per preriscaldare l’azoto in ingresso all’impianto di water splitting ideato nell’ambito del progetto Hydrosol. A causa delle particolari condizioni di lavoro nel reattore la temperatura massima a cui dovrà resistere il componente arriverà a 1200 °C. Per tali ragioni l’intero scambiatore sarà composto da carburo di silicio e da studi preliminari è stato dimostrato che dovrà essere del tipo a piastre. Nella fase di progettazione si è valutato il design possibile ed è stato scelto un modello con entrambi i collettori interni e un tipo di alettatura basato sul concetto di offset strip fin, successivamente tramite un modello semplificato 1D sono state valutate le dimensioni del Core in termini di numero di piastre e geometria. I risultati ottenuti hanno indicato come lo scambiatore per ottenere un risultato vicino all’efficacia di 0,92 debba essere costruito da 20 piastre in grado complessivamente di garantire un’efficacia di 0,88. Una volta ottenuti i primi risultati ci si è concentrati sulla scelta e la geometria dei collettori, non avendo a disposizione correlazioni matematiche valide per il loro dimensionamento si è cercato di minimizzare la velocità dei gas nell’impianto. Il risultato ottenuto è stata una velocità massima predetta di ci circa 7,7 m/s mentre per quanto concerne la parte di core grazie al modello semplificato viene definita una velocità media di 1,8 m/s. Una volta in possesso di questi risultati viene definita la geometria dello scambiatore grazie ad un modello CAD di cui sono disponibili anche le messe in tavola. Durante tale fase sono stati fissate le dimensioni esterne e il modo con cui verrà connesso lo scambiatore all’impianto. Nell’ultima fase si è impostata un’analisi CFD che ha portato alla generazione di un mesh strutturata, sulla geometria semplificata dello scambiatore, di circa 5 milioni di elementi e alla successiva definizione dei parametri in Fluent in cui le alette sono state simulate grazie all’utilizzo di un mezzo poroso definito mediante correlazioni teoriche presenti in letteratura e alle impostazioni disponibili presenti nel software. A causa di errori e ritardi nell’impostazione del calcolo non è stato possibile avere a disposizione un modello computazionale completo dello scambiatore tuttavia è stato possibile definire adeguatamente il mezzo poroso atto a simulare l’alettatura e utilizzando un caso semplificato trarre alcune conclusioni in particolare sui miglioramenti di alcune zone problematiche della geometria che causano distacchi di vena e velocità eccessivamente elevate in alcune settori dello scambiatore. Complessivamente lo scambiatore è composto da 20 piastre ha un’efficacia teorica 0,88 vicino all’obbiettivo di 0,92 necessaria a ottenere la temperatura di uscita di 1150°C, presenta un’altezza di 540 mm e un peso di 270 kg

Item Type: Thesis (Bachelor)
Corso: UNSPECIFIED
Supervisors: Cornolti, Luca and Zavattoni, Simone
Subjects: Meccanica
Divisions: Dipartimento tecnologie innovative > Ingegneria meccanica
URI: http://tesi.supsi.ch/id/eprint/3342

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