Analisi delle prestazioni termiche e fluidodinamiche di uno scambiatore a piastre offset strip-fin per uso automotive

At the ThermALab laboratory of the Energy department of Politecnico di Milano, some innovative models of plate heat exchangers are currently being studied to perform their thermal and fluid dynamic characterization, in order to validate a numerical model and to provide useful information for a subsequent optimization design phase. This thesis work concerns the experimental study of the particular typology of compact plate heat exchangers offset strip fin. The necessity from industry, such as the automotive and aerospace sectors, to have lightweight, low volumetric and economic components is driving the development of compact heat exchangers. The offset strip fin structure allows to increase their thermal performance, increasing both the exchange surface and the convective heat exchange coefficient through an early promotion of turbulence. Unfortunately, the growth in turbulence and the more complex geometry lead to greater pressure drops, therefore the performance analysis extends to a trade-off between thermal and fluid dynamic performance. This elaborate then takes part of this ThermALab group project. After supporting the latest experimental tests on pressure drops and heat exchange, as an introduction to the work and of which the results are obviously not reported, the activity focused on an analysis of the geometry, to clarify the critical issues related to the its complexity that emerged from experimentation, and on the innovative execution of fluid dynamic display tests inside the turbulator under analysis. In particular, the geometry analysis was carried out to investigate the critical issues in calculating the hydraulic diameter, the heat exchange surface and the area of passage of the fluid, deriving from the complexity of the geometry. Based on an existing system designed by the ThermALab group, implementations were made to make the injection pulsed instead of continuous and an experimental analysis of flow visualization was performed using a tracing fluid. Through this verification and the appropriate writing of a Matlab code for frame processing it is possible to obtain a qualitative assessment of the motion of the fluid within this type of turbulators, of the punctual speed measurements and it is finally possible to give a representation of the discrete velocity field inside the exchanger.

Presso il laboratorio ThermALab, del dipartimento di energia del Politecnico di Milano, sono attualmente in studio alcuni modelli innovativi di scambiatori a piastre per eseguirne la caratterizzazione termica e fluidodinamica, al fine di validare un modello numerico e di conferire informazioni utili per una successiva fase progettuale di ottimizzazione. Il presente lavoro di tesi riguarda lo studio sperimentale della particolare tipologia di scambiatori compatti a piastre offset strip fin. La necessità dell’industria, come quella automotive e aerospaziale, di avere componenti leggeri, a basso impatto volumetrico ed economici sta guidando lo sviluppo di scambiatori compatti. La struttura offset strip fin, permette di incrementare le prestazioni termiche di uno scambiatore, aumentando sia la superficie, sia il coefficiente di scambio termico convettivo attraverso una promozione anticipata della turbolenza. Sfortunatamente, un incremento della turbolenza e la maggior complessità della geometria comportano perdite di carico maggiori, per cui l’analisi delle prestazioni si estende ad un trade-off tra performance termiche e quelle fluidodinamiche. Questo lavoro di tesi s’inserisce quindi nel corso di questo progetto del gruppo ThermALab. Dopo un affiancamento alle ultime prove sperimentali sulle perdite di carico e di scambio termico, come introduzione al lavoro e di cui ovviamente non si riportano i risultati, l'attività si è concentrata su un’analisi della geometria, per fare chiarezza sulle criticità legate alla sua complessità che si sono rilevate dalla sperimentazione, e sull’esecuzione innovativa di prove di visualizzazione fluidodinamica all’interno del turbolatore in analisi. In particolare, si è effettuata l’analisi della geometria per approfondire le criticità nel calcolo del diametro idraulico, la superficie di scambio termico e l’area di passaggio del fluido, derivanti dalla complessità della geometria. Sulla base di un impianto esistente progettato dal gruppo ThermALab si sono effettuate delle implementazioni per rendere l’iniezione pulsata invece che continua e si è eseguita un'analisi sperimentale di visualizzazione del flusso mediante l’utilizzo di un tracciante. Attraverso questa campagna sperimentale e l’opportuna scrittura di un codice Matlab di elaborazione delle immagini è possibile ottenere una valutazione qualitativa del moto del fluido all’interno di questa tipologia di turbolatori, delle misure della velocità puntuale e risulta infine possibile dare una rappresentazione del campo discreto di velocità all’interno dello scambiatore.