Taratura di un modello di calcolo per batterie alettate

The main aim of this thesis is to validate and analyse air side performances of heat transfer and friction characteristics in wavy fin-and-tube heat exchangers. The study is related to the current global context, where scarcity of resources lead to political, environmental and social problems. The solution to these problems requires energetic efficiency to achieve sustainability. To achieve this objective, accurate and strict tools are needed. A Politecnico di Milano in-house code created to assess heat exchanger performances has been validated; the work has been performed through a comparison between the former code and simulations by a similar code developed by HTRI. Namely a software has been developed in order to create a calibration of coefficients (which are inputs to the in-house code), which determine the Colburn factor j and pressure drops characteristics. Those coefficients are function of the following parameters: geometries, number of rows and fin pitch. Different inlet air velocities have been simulated, blocking other parameters. Results, plotted in a j (and f, Fanning friction factor) – Reynolds number graphic, show curves decreasing with Re. A j and f row dependence is also pointed out. That dependence though is not relevant from 4-row coils up. Fin pitch shows relatively lower effects on j and f values: heat transfer improves for 1 and 2-row coils but drops increase too. Nevertheless, differences are spotted only in the 1 and 2-row coils, whilst in 4 and 6-row cases j and f are almost independent from the fin pitch. Generally, parameters influence tends to dimish with high Re values. Better fluid dynamics circumstances and increasing turbulence lead to slightly level out parameters effects. Afterwards a comparison between Wang et al. correlations and those optimized by the in-house software has been carried out. Results show underestimating trends and relative errors with a maximum of 35%. The reason is the complexity of the air side heat transfer and drop characteristic phenomenon in finned coils. Eventually, some of the optimized coefficients for factor j calculations have been tested on few available test data, provided by a company partner of the Politecnico di Milano, Geo.coil S.r.l. Compared heat powers show relative errors to a maximum of 11%.

Scopo di questo lavoro di tesi magistrale è quello di validare e analizzare lo scambio termico e le perdite di carico lato aria in batterie alettate. Il contesto globale in cui si cala lo studio è quello delle problematiche attuali, sia politiche, ambientali che sociali, le quali richiedono al mondo moderno di portarsi su una strada di efficientamento energetico sostenibile e sempre più precisa ed affidabile. Si è validato un codice di calcolo sviluppato in-house dal Politecnico di Milano per il computo delle prestazioni di una batteria alettata; il confronto è stato portato a termine rispetto a simulazioni fornite da un codice analogo di calcolo sviluppato da HTRI. In particolare si è creato un programma in grado di identificare e tarare dei coefficienti, input per il calcolo del fattore di Colburn j e delle perdite di carico Δp. Tali coefficienti sono stati espressi in funzione dei seguenti parametri: tipo di geometria dello scambiatore, numero di ranghi e passo delle alette. Si sono simulati casi con diverse velocità dell’aria in ingresso, a parità delle restanti condizioni. I risultati, espressi in funzione del numero Reynolds, figurano in curve con un andamento decrescente con Re. Si mostra una dipendenza dei fattori j e f (fattore di attrito secondo Fanning) dal numero di ranghi. Le differenze però non sono più rilevanti per i casi da 4 ranghi in su. Il passo ha relativamente meno influenza sui valori di j e f. Viene annotata una migliore resa termica per passi minori ma si manifesta anche una crescita simultanea di f. Tali differenze sono visibili solo per i casi con 1 e 2 due ranghi, mentre per i casi con 4 e 6 ranghi vi risulta una certa indipendenza. In generale l’influenza dei parametri tende a pesare relativamente meno con il crescere di Re. La migliore situazione fluidodinamica e la crescente turbolenza portano a una sensibilità minore sugli effetti dei parametri. Si sono poi confrontate le correlazioni di Wang et al. con quelle tarate. I risultati sono di una prevalente sottostima con errori che possono raggiungere anche valori massimi relativi del 35%. La causa di questa imprecisione è la difficile previsione, modellazione e inquadramento di un fenomeno complesso quale quello termofluidodinamico dell’aria attraverso batterie alettate. In ultimo si sono testati i coefficienti di scambio per alcuni casi di test disponibili fornitici dall’azienda partner del Politecnico di Milano, Geo.coil S.r.l. Le potenze termiche confrontate mostrano risultati con errori medi relativi dentro l’11%.