Advancements in the implementation and validation of MatriHX, a matrix-based solver for plate-and-tube heat exchangers

This thesis project developed within a collaboration between the Politecnico di Milano and the heat exchanger manufacturer DECA S.r.l. directed to the advancement of the products and the design tools. It is now focused on the idea of a finned insert inside tubes to increase the internal heat exchange surface allowing to reduce the length of the tubes and the encumbrance of the heat exchanger obtaining the same performances. This new development main application is identified in the compressed air aftercooler or intercooler and in this direction is evolving the project that involves the Politecnico di Milano and DECA S.r.l. This work aims to further develop MatriHX, a matrix based plate-and-fin heat exchanger simulation code developed in the ongoing project. The objective is to create a unified engine in charge of the thermodynamical and physical properties calculation with different methods, introducing the use of two external databases, REFPROP and IAPWS, in addition to the preexisting ones already implemented in previous works. Then, internal condensation of vapor in the presence of non-condensable gases is studied and implemented in the code, in order to simulate aftercoolers where humid air is cooled below the dew point. The new version of the code is compared to the commercial software Aspen EDR following a validation procedure established in this work consisting of nine different cases. The second goal is to enhance an experimental apparatus, named TubeHX, previously assembled to test the MatriHX results and also to assess the real performance of the finned insert. A preliminary campaign showed some malfunctioning and the inaccuracy of the experimental results. Improvements and further developments are completed and a test campaign is carried out to check the acceptability of the results.

Questo lavoro di tesi si inserisce in un progetto di ricerca più ampio sviluppato in collaborazione fra il Politecnico di Milano e l’azienda produttrice di scambiatori di calore Officine Meccaniche DECA S.r.l. Al fine di promuovere lo scambio termico e aumentare la prestazione degli scambiatori si è ipotizzato l’utilizzo di tubi provvisti di un inserto alettato così da aumentarne la superficie di scambio. In questo modo si punta ad ottenere, a parità di potenza scambiata, una riduzione della lunghezza dei tubi e di conseguenza del volume e dell’ingombro dello scambiatore; d’altro canto, l’aumento delle perdite di carico connesso a questa configurazione è stato tenuto in conto nella valutazione complessiva della soluzione proposta. In seguito a uno studio sul mercato globale dei compressori, che si è dimostrato essere molto ampio e in ulteriore espansione, è stato indagata l’applicazione dei suddetti scambiatori quali aftercooler o intercooler in sistemi di compressione dell’aria. Ad oggi, è stato sviluppato un codice di simulazione per scambiatori a pacco alettato, denominato MatriHX, con lo scopo di essere uno strumento di progettazione versatile e facilmente ampliabile. Questo è in grado di simulare scambiatori con tubi internamente alettati ed è stato lo strumento per diverse simulazioni numeriche per individuare la configurazione ottimale di un aftercooler con inserto alettato che garantisca il miglior compromesso fra una riduzione della superficie e un aumento delle perdite di carico. Nel presente lavoro, MatriHX è stato ulteriormente sviluppato per gestire l’eventuale condensazione interna del vapore presente nell'aria umida durante il raffreddamento nell'aftercooler o intercooler. Per comprendere e definire al meglio il fenomeno, è stato condotto prima uno studio sulla condensazione di un componente puro all’interno di tubi orizzontali e poi del vapore in presenza di gas non-condensanti. Il modello di scambio termico è stato discusso e implementato nel codice. Inoltre, è stata riorganizzata e ampliata la sezione di calcolo delle proprietà termodinamiche e fisiche, ora affidato ad un'unica funzione adoperata come motore termodinamico del codice, in cui, ai metodi di calcolo già presenti, è stata aggiunta la possibilità di richiamare e servirsi di due software esterni quali REFPROP e IAPWS. La nuova versione di MatriHX è stata verificata confrontandola con Aspen EDR, preso come riferimento, seguendo una procedura di validazione introdotta in questo lavoro che consiste nel confrontare i risultati di nove casi di simulazione. I primi cinque sono casi generali utilizzati in lavori precedenti per validare i risultati a seguito di interventi di estensione del codice e sono qui utilizzati per assicurarsi che il corretto funzionamento del codice, precedentemente verificato, non sia stato alterato. Gli ultimi quattro casi rappresentano quattro configurazioni di un aftercooler in cui avviene condensazione interna per la verifica della nuova implementazione nel codice e il confronto ha mostrato un buon accordo nei risultati. In parallelo, questo lavoro si è occupato della messa a punto di un banco sperimentale, denominato TubeHX, precedentemente assemblato con lo scopo di verificare, in un secondo momento, i risultati delle simulazioni numeriche e di testare il comportamento dell’inserto alettato. TubeHX è costituito da uno scambiatore tubo-in-tubo in cui aria secca viene riscaldata da acqua calda. Una campagna di prove sperimentali preliminari aveva messo in luce alcuni malfunzionamenti e un'incongruenza dei bilanci termici. Sono stati eseguiti, quindi, una serie di verifiche della strumentazione e di miglioramenti seguiti da nuove campagne sperimentali che hanno evidenziato un miglioramento dei risultati che ora garantiscono la chiusura del bilancio termico a meno di un errore valutato accettabile. Ad ogni modo, l'unilateralità della discrepanza fra le due potenze termiche suggerisce in lavori futuri un'ulteriore verifica sui misuratori di portata.