Modellazione e ottimizzazione termo-fluidodinamica di tubi alettati in un generatore di vapore a recupero

In this work the analysis of a compact heat exchanger of the evaporator section of an HRSG is done. Knowledge of such phenomena ocould be describe by means of fluid dynamics theory. Nowdays there are two main design methods: the first uses are semi-empirical correlations while the second uses are CFD techniques. Here, semi-empirical models are used to validate CFD simulations, which provides complete detailed of thermo-physical phenomena. In this thesis, at first k-ε Realizable model with enhanced wall function is used, to compare standard geometry, with constanst fin pich, is compared with three different new ones, where fin pitch is not more constant. In particular, the fin pitch varied along the fin in order to have trapezoidal configuration of the parallel-to-fluid area of the fin. The results are at first compared with ESCOA correlations, in order to validate numerical simulations, then other two processes with less number of cells are done in order to compute the GCI. Finally, looking at the results the better desing geometry from a thermodynamical point os view is carried out. After that, SAS model is used in order to have more accurate results with respect of RANS simulations. At the beginning with standard geometry, in order to evaulate the difference with k-ε model, then with the better of the new three geometry. So, it is possible to find, at fin length scale, the reason behind the great performance of the one instead of anothers

In questo lavoro viene effettuata un’analisi termo-fluidodinamica suuna sezione di un evaporatore all’interno di un generatore di vapore a recupero. In generale, lo studio di questi fenomeni può essere fatto mediante due principali metodi: l’utilizzo di correlazioni empiriche da un lato o l’utilizzo di simulazione numeriche di fluidodinamica computazionale, CFD (Computational Fluid Dynamics). In questo caso, le correlazioni semi-empiriche sono utilizzate per validare le simulazioni CFD, in grado, d’altra parte di fornire una descrizione piuttosto dettagliata dei fenomeni fluido dinamici. La prima parte del lavoro vede l’utilizzo del modello di turbolenza RANS k-ε Realizable con enhanced wall treatment, per andare a confrontare una geometria standard con tre soluzioni innovative, nelle quali lo spessore dell’aletta variava lungo la direzione radiale alla tubazione entro la quale scorre l’acqua in condizioni di saturazione. I risultati ottenuti sono in primis confrontati con le correlazioni ESCOA, al fine di validare le simulazioni numeriche, quindi viene calcolato l’indice di convergenza, GCI, tramite altre due simulazioni, effettuate con la geometria standard, con un numero di celle inferiore rispetto a quelle utilizzate nella prima mesh. A valle di queste validazioni, vengono studiati i risultati per andare a definire quale sia, e se ci sia, una soluzione innovativa migliore di quella standard. Trovata tale soluzione, si passa alla validazione ed all’utilizzo di un modello numerico più accurato rispetto al k-ε, ovvero il modello SAS. In questo caso, è possibile utilizzare un approccio non stazionario al problema, al fine di evidenziare maggiori caratteristiche nel flusso medio ed in quello turbolento. Una volta validato anche questo modello, la geometria innovativa risultata più efficiente rispetto a quella standard viene analizzata con simulazione SAS, al fine di evidenziare in maniera dettagliata, dove le performance di questa sono migliori rispetto alla soluzione tradizionale.