MOOD4HEX - MOrphology Optimized Design for Heat EXchangers

Dettagli

Settore ERC: PE8 - Products and Processes Engineering
Sottosettore ERC: PE8_6 - Energy processes engineering
Data avvio progetto: 28/09/2023
CUP: D53D23004040006
Sostegno finanziario ricevuto: €55.386,00

Descrizione e scopo

Il presente progetto di ricerca — che coinvolge l'Università di Parma (UNIPR) in qualità di coordinatore nazionale, insieme all'Università di Padova (UNIPD), Politecnico di Milano (POLIMI) e Università del Salento (UNISALENTO) — è incentrato su soluzioni innovative da impiegare nella produzione di scambiatori di calore con prestazioni ottimizzate in termini di capacità di trasferimento del calore e finitura superficiale di alta qualità per mitigare i fenomeni di fouling, riducendo al minimo la caduta di pressione, il volume, i costi di produzione e di esercizio.

Una strategia che è stata esplorata con successo in letteratura per raggiungere questi obiettivi è l'uso di tecnologie di produzione emergenti, che consentono la produzione di superfici con geometrie ottimizzate.

Questo progetto mira a rafforzare la rete di ricerca nazionale e a creare le connessioni multidisciplinari necessarie per ulteriori sviluppi in questo campo di studio. Basato sulla cooperazione di ricercatori altamente qualificati con competenze specialistiche in varie tecniche sperimentali e numeriche, anche nell'ambito di un approccio complementare e interdisciplinare, il progetto rappresenta un'opportunità significativa per l'intera comunità di ricerca nazionale.

Le quattro unità di ricerca affrontano diversi problemi e applicazioni, che comprendono sia il trasferimento di calore monofase che bifase. Verranno analizzate e ottimizzate varie tecniche passive di miglioramento del trasferimento di calore, ad esempio

- Dispositivi di inserimento e nervature di forma innovativa e ottimizzata da adottare nei canali durante la convezione monofase (UNIPR e POLIMI).

- Soluzioni innovative e tecnologie emergenti per la convezione bifase (UNIPD), come nuove superfici potenziate per innescare effetti di tensione superficiale per la condensazione filmwise.

La progettazione e la produzione di queste superfici innovative sono state sviluppate con il contributo fondamentale di UNISALENTO, che può garantire l'esperienza necessaria per la progettazione e la produzione intelligenti di questi componenti/superfici altamente innovativi, tenendo conto dei vincoli di ogni specifica applicazione. Questa ricerca è stata sviluppata in stretta collaborazione tra le quattro unità di ricerca, in particolare per quanto riguarda:

- l'attività di ottimizzazione, che richiede l'identificazione/discussione dei parametri oggettivi chiave e la condivisione di esperienze sia sull'elaborazione dei dati che sugli approcci di simulazione;

- l'attività sperimentale che sarà implementata e messa a punto per valutare le prestazioni termiche complessive e locali delle diverse tecniche/dispositivi studiati.

Sito Web: https://www.mood4hex.unipr.it/

Finalità

L'obiettivo finale del presente progetto di ricerca — coordinato dall'Università di Parma, in collaborazione con l'Università di Padova, il Politecnico di Milano e l'Università del Salento — è quello di stimolare il progresso tecnologico e l'innovazione in un settore di grande rilevanza per l'industria nazionale, ovvero la produzione di scambiatori di calore.

Le sfide che le aziende di questo settore devono affrontare per rimanere competitive sul mercato globale sono determinate dalla richiesta di dispositivi termicamente più efficienti, caratterizzati al contempo da una riduzione della perdita di carico, del volume, dei costi di produzione e di esercizio, e da una finitura superficiale di alta qualità per mitigare i fenomeni di fouling.

L'obiettivo principale del progetto è quello di stabilire un quadro di riferimento per la progettazione della prossima generazione di dispositivi di trasferimento di calore potenziati, attraverso procedure scientificamente validate e con potenziali benefici verificati.

Inoltre, il progetto mira a rafforzare la rete nazionale di ricerca degli specialisti del trasferimento di calore e a promuovere le collaborazioni multidisciplinari necessarie per ulteriori progressi in questo campo.

A tal fine, il consorzio riunisce tre unità di ricerca con competenze consolidate nei meccanismi di trasferimento di calore, sia teorici che sperimentali, e un'unità specializzata nell'ottimizzazione funzionale e topologica, nonché nelle tecniche di produzione avanzate.

Il progetto si è concentrato su due tecnologie potenzialmente dirompenti emerse nell'ultimo decennio. Da un lato, l'ottimizzazione topologica è stata sempre più applicata alla progettazione di componenti volti a ottenere prestazioni ottimali; dall'altro, le tecniche di produzione additiva (AM) hanno fornito una libertà geometrica senza precedenti, consentendo la realizzazione di componenti con forme altamente innovative.

Risultati attesi

Per raggiungere l'obiettivo principale del progetto, sono stati definiti i seguenti obiettivi secondari:

-La progettazione di una serie di almeno tre geometrie con morfologia ottimizzata per il miglioramento del trasferimento di calore nei tubi e tre nei canali stretti.

-La progettazione di una serie di almeno due geometrie morfologicamente migliorate per il miglioramento del trasferimento di calore durante la condensazione

-La verifica sperimentale di tali geometrie, in particolare in termini di miglioramento complessivo del trasferimento di calore, caduta di pressione e altre quantità locali (ad esempio miglioramento locale del trasferimento di calore, spessore del film liquido), che evidenziano i meccanismi fisici del miglioramento delle prestazioni termiche.

-L'attività di divulgazione, che comprende pubblicazioni scientifiche, attività sui social network e simposi con aziende potenzialmente interessate alla tecnologia.

Il principale risultato atteso da questo progetto era la creazione di un quadro validato sperimentalmente per la progettazione della prossima generazione di scambiatori di calore all'interno della comunità scientifica italiana, al fine di integrare i recenti progressi nelle procedure di ottimizzazione della forma, nelle tecniche di produzione, nei materiali e nel profondo patrimonio dei sistemi tradizionali e degli strumenti di misurazione.

Questo obiettivo è stato perseguito attraverso una serie di fasi intermedie:

-L'applicazione di TO e analisi morfologiche avanzate sui seguenti problemi di trasferimento di calore potenziato (potenziamento della convezione monofase nel flusso in tubi con dispositivi di inserimento e in canali stretti con nervature e potenziamento della condensazione in film nel flusso in tubi), che sono stati studiati approfonditamente dai membri del Consorzio.

- La progettazione e la fabbricazione di geometrie ottimizzate mediante AM.

- Le prove sperimentali sulle nuove configurazioni e la valutazione dei miglioramenti e dei limiti offerti dalla nuova metodologia.

Nello specifico, il progetto prevedeva di testare almeno tre geometrie innovative per ogni applicazione monofase e almeno due superfici potenziate per la condensazione.

Tale ricerca sosterrà l'introduzione di nuove soluzioni e prodotti innovativi nel mercato degli scambiatori di calore. Infatti, tutti i membri del Consorzio hanno sviluppato forti legami con il mondo industriale, in particolare con le aziende in cui la gestione termica è un fattore chiave.

Infine, uno dei risultati auspicati del progetto era la formazione di giovani scienziati sulle tecnologie avanzate e innovative. A tal fine, 3 post-doc

Risultati raggiunti

Trasferimento di calore monofase: inserti passivi a forma di farfalla sono stati progettati e realizzati mediante produzione additiva sotto il coordinamento dell'unità UNISALENTO, con proprietà dei materiali adattate alle esigenze sperimentali. Diverse forme sono state prese in considerazione e testate sperimentalmente dall'unità UNIPR monitorando sia le temperature del fluido/della parete sia le perdite di pressione in condizioni di regime stazionario. Tali inserti innovativi sono stati caratterizzati in termini di caratteristiche termofluidiche, quali il coefficiente di perdita di pressione locale e il numero di Nusselt locale/medio. È stata identificata la configurazione geometrica ottimale, ovvero quella che fornisce il numero di Nusselt più elevato in relazione alle cadute di pressione risultanti. Ulteriori risultati fondamentali sono stati raggiunti durante lo studio delle alette elicoidali interrotte per scambiatori di calore a triplo tubo che trattano fluidi non newtoniani altamente viscosi. La nuova geometria è stata studiata numericamente e testata sperimentalmente in un impianto industriale per comprenderne gli effetti benefici in termini di termizzazione dei fluidi. È stato identificato lo spostamento ottimale delle sezioni alettate per diversi fluidi e condizioni di lavoro.

Geometrie innovative dei turbolatori sono state sviluppate dall'unità POLIMI utilizzando il software ToffeeX, in grado di progettare superfici organiche complesse utilizzando una procedura “additiva” e mirando alla massimizzazione o minimizzazione di una funzione obiettivo termica e/o fluidodinamica. È stato inizialmente utilizzato limitando la frazione di canale occupata dalle strutture ottimizzate e, in questo caso, sono stati selezionati il rapporto di riempimento e la morfologia ottimali, ottenendo una prima configurazione ottimizzata per la distribuzione dei turbolatori nel canale. Successivamente, il vincolo di volume è stato rimosso e si è ottenuta una seconda configurazione. Infine, è stato preso in considerazione l'obiettivo di ottenere una geometria modellata, identificando gli ostacoli più promettenti generati da ToffeeX nell'ottimizzazione senza vincoli e creando una serie periodica di turbolatori da ciascuno di essi.

Tutte le geometrie sono state analizzate mediante simulazioni CFD RANS con OpenFOAM, per valutare i campi termici-fluidodinamici e le prestazioni termiche. La geometria modellata più promettente è stata quindi stampata in 3D in resina e testata sperimentalmente. L'allestimento per i test è stato migliorato rispetto alla versione pre-progetto ed è stato utilizzato anche per testare le nervature convenzionali, tra cui la forma V-Down si è confermata la più performante.

È attualmente in corso un'analisi approfondita dei risultati sperimentali e un confronto con quelli numerici.

L'ottimizzazione topologica è stata effettuata dall'UniSalento utilizzando OptiStruct e il metodo del flusso di Darcy, al fine di migliorare la distribuzione del fluido all'interno del canale. La procedura ha portato all'identificazione di topologie ottimizzate che migliorano l'efficienza del flusso. Questi risultati rappresentano un punto di partenza per ulteriori confronti con le geometrie generate da altri approcci di ottimizzazione.

Trasferimento di calore bifase: una sezione di prova innovativa con un canale di diametro interno di 2,76 mm è stata fabbricata dall'unità UNIPD in AlSi10Mg utilizzando la fusione laser a letto di polvere (LPBF) per consentire misurazioni accurate del trasferimento di calore locale con refrigeranti. La sua geometria è stata ottimizzata attraverso simulazioni CFD dettagliate in ANSYS Fluent, progettate per migliorare la precisione della misurazione della temperatura sia sul fluido secondario (acqua) che sul lato della parete. Sono stati effettuati esperimenti di condensazione con R1234ze(E) e R1233zd(E) per determinare i coefficienti di trasferimento di calore locali, visualizzare i modelli di flusso in diverse condizioni operative e convalidare i modelli di previsione esistenti.

È stata sviluppata una seconda sezione di prova per studiare la condensazione all'interno di un tubo di calore a stoppino, con l'obiettivo di consentire misurazioni non invasive dello spessore del film liquido su superfici migliorate. La geometria delle alette è stata studiata attraverso simulazioni Volume-of-Fluid (VOF) in ANSYS Fluent con diversi refrigeranti (R134a, R245fa, R290, R717). La sezione di prova, prodotta in AlSi10Mg mediante produzione additiva, è ora in fase di strumentazione e viene preparata per le prossime misurazioni dei coefficienti di trasferimento di calore e dello spessore del film liquido attraverso un sensore confocale cromatico.

UNISALENTO ha contribuito allo studio preliminare per la stampa 3D della sezione di prova.

È stata organizzata una sessione speciale dal titolo “Progettazione ottimizzata dal punto di vista morfologico per scambiatori di calore” per diffondere i risultati del progetto nell'ambito della conferenza internazionale EUROTHERM 2024 (10-13 giugno 2024, Bled, Slovenia).

Presidente: Prof.ssa Sara Rainieri, Università di Parma, Italia

Copresidente: Prof. Marcelo Colaço, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Brasile

https://www.eurotherm2024.si/.

La sessione speciale ha rappresentato una preziosa opportunità per condividere e discutere i principali risultati del progetto con la comunità scientifica internazionale, stimolare il dibattito interdisciplinare e promuovere ulteriori collaborazioni. Ha inoltre contribuito a migliorare la diffusione e l'impatto della ricerca, integrando le attività sperimentali e numeriche svolte nell'ambito del progetto.