Progetto ed ottimizzazione degli scambiatori di calore

La maldistribuzione dei fluidi all’interno dei canali è causa importante di decadimento delle prestazioni termiche degli scambiatori di calore. La disuniformità di distribuzione è imputabile a tolleranze di lavorazione, a problemi di fouling o al tipo di deflusso (mono o bifase). Per scambiatori operanti con passaggi di fase è di grande interesse l’analisi della distribuzione delle fasi da un condotto principale che alimenta una serie di canali paralleli. Negli evaporatori l’obiettivo è scongiurare fenomeni di dry-out che portano ad un crollo nelle prestazioni; nei condensatori la maldistribuzione può creare zone di ridotto scambio termico con conseguente necessità di sovradimensionamento della superficie di scambio.
La separazione  dipende in maniera importante dalla differenza delle proprietà termofisiche delle fasi liquida ed aeriforme (densità, viscosità e tensione superficiale in particolare), che ha come conseguenza la stratificazione delle fasi.
Gli studi sperimentali in questo ambito hanno evidenziato l’importanza di numerosi fattori geometrici ed operativi: il diametro idraulico, la forma e la disposizione (orizzontale o verticale) del distributore; la disposizione dei canali connessi ad esso (flusso ascendente o discendente); la profondità di protrusione dei canali all’interno del distributore; la lunghezza del condotto di adduzione e l’eventuale presenza di orifizi all’ingresso; la portata massica totale e il titolo di vapore.
La ricerca del gruppo di lavoro si concentra sull’analisi della performance nella distribuzione delle fasi di distributori operanti con miscele aria-acqua. Le campagne sperimentali sono condotte variando la configurazione geometrica del distributore e le condizioni operative, nonché le velocità superficiali delle fasi. Vengono analizzati gli effetti di parametri geometrici, quali lunghezza e forma del distributore, dimensioni degli orifizi all’ingresso, diametro di connessione e numero di canali di distribuzione; vengono inoltre testati nuovi sistemi di omogeneizzazione delle fasi (protrusioni dei canali con profondità costante e variabile; sistema innovativo di inversione della direzione del flusso), con l’obiettivo di definire una geometria ottimale in funzione delle condizioni operative.

Pubblicazioni

  1. A. Marchitto, F. Devia, M. Fossa, G. Guglielmini, C. Schenone, Experiments on two-phase flow distribution inside parallel channels of compact heat exchangers, Int. J. Multiphase Flow, Vol. 34, Issue 2, 2008, Pages 128-144.
  2. M. Fossa, A. Marchitto, A Simplified Approach for Predicting the Intermittent Behavior of Gas-Liquid Mixtures in Pipes, J. Fluids Eng.,Vol. 131,  Issue 1, 2009.
  3. A. Marchitto, M. Fossa, G. Guglielmini, Distribution of air–water mixtures in parallel vertical channels as an effect of the header geometry, Exp. Thermal and Fluid Science, Vol. 33, 2009, Pages 895–902.
  4. A. Marchitto, M. Fossa, G. Guglielmini, The effect of the flow direction inside the header on two-phase flow distribution in parallel vertical channels, Applied Thermal Engineering J., Vol. 36, 2012, Pages 245-251.
  5. F. Devia, A. Marchitto, M. Fossa, G. Guglielmini. CFD Simulations Devoted to the Study of Fitting Effects on the Phase Distribution in Parallel Vertical Channels, International Journal of Chemical Reactor Engineering. ISSN (Online) 1542-6580, ISSN (Print) 2194-5748, 2015.