Valutazione sperimentale delle caratteristiche di scambio termico di tubi da fumo con promotori di turbolenza

The purpose of this thesis is the experimental study on enhanced heat transfer using turbulence promoters for smoke tubes boiler. Lots of research and effort is oriented to increase the heat transfer coefficients in different sectors, particularly those concerning exchangers and boilers. The study has been conducted at the company Bono S.p.a. Peschiera Borromeo (MI) with an experimental system that simulates a boiler. The exhaust pipes have been equipped with various types of inserts (bend stripe, helical tape, twisted tape, twisted tape 2) and the tests has been completed with the replacement of smooth pipes with corrugated pipes of three different steps (40, 60 and 80 mm). The main objective is to compare the performance of heat exchange and the pressure drop between the base case smooth tube (without inserts) and cases with the turbulators and the corrugated tubes. A model was also developed that allows simulation of the different boilers in all operating conditions. The field of Reynolds numbers varies between 3000 to 10000 and in this field are presented the experimental results of heat exchange and pressure drop, respectively, in terms of the Nusselt number (Nu) and friction factor (f). The results show an increase of the Nusselt number (for the inserts) compared to the base case included in a range that goes from 1,31 to 2,86 while for the friction factor worsens with a range of 5,24 to 19,2 times. For corrugated tubes the range is between 0,13 to 0,32 times for Nu and 1,92 to 2,21 for f. For standardizing the performance an improvement factor is used to show the best configurations are the corrugated tube 40 mm pitch limited to the corrugated tubes and generally twisted tape 2 at least for a Re greater than 4000.

Lo scopo di questo lavoro di tesi è lo studio sperimentale delle caratteristiche di scambio termico dei promotori di turbolenza per le caldaie a tubi da fumo. Sono sempre di più le ricerche e gli sforzi orientati all’incremento dei coefficienti di scambio termico in diversi settori e in particolare per quello riguardante scambiatori e caldaie. Lo studio è stato condotto presso l’azienda Bono S.p.a. di Peschiera Borromeo (MI) in un impianto sperimentale che simula il funzionamento di una caldaia. I tubi da fumo sono stati equipaggiati con inserti di vario tipo (bend stripe, tubo anima, twisted tape, twisted tape 2) e il setup sperimentale è stato completato con prove effettuate con la sostituzione dei tubi lisci con tubi corrugati di tre passi diversi (40, 60 e 80 mm). L’obiettivo principale consiste nel confronto tra le performance di scambio termico e in termini di caduta di pressione tra il caso base a tubo vuoto (o liscio, senza inserti) e i casi con i turbolatori e i tubi corrugati. È stato inoltre sviluppato un modello che permette di simulare le diverse caldaie in tutte le condizioni operative. Per le portate considerate il campo di numeri di Reynolds varia tra 3000 a 10000 e in tale campo sono rappresentati i risultati sperimentali di scambio termico e caduta di pressione rispettivamente in termini di numero di Nusselt (Nu) e fattore di attrito (f). I risultati mostrano per gli inserti un incremento del numero di Nusselt rispetto al caso base compreso in un range che va da 1,31 a 2,86 mentre per il fattore di attrito un peggioramento che va da 5,24 a 19,2 volte. Per i tubi corrugati il range è compreso tra 0,13 a 0,32 volte per Nu e 1,92 a 2,21 per f. Per confrontare i risultati è utilizzato un fattore di miglioramento che mostra le migliori configurazioni che risultano il tubo corrugato a passo 40 mm limitatamente ai tubi corrugati e in generale il twisted tape 2 almeno per un Re maggiore di 4000.