Caratteristiche di scambio termico in convezione forzata all'interno di condotti a spirale e a serpentina

The object of this thesis work is the heat transfer analysis of forced convection in curved ducts with the aim of sizing a mini heat exchanger used for the thermal cooling of a micro-thermoelectric generator. Given the variability of shapes that can be realized with curved ducts (like spiral, serpentine, ...) no suitable correlation have been found in literature for heat transfer and pressure drops for the geometries applied in this study. For this reason a numerical and experimental study was carried out, however, for the well-known sanitary conditions, the numerical aspects have been mainly developed. A CFD analysis has been driven in order to fully characterized the fluid flow and heat transfer enhancement using a commercial software based on finite volume method. Firstly the focus has been the creation of a reliable model which could faithfully reproduced fluid dynamics and heat transfer due to forced convection within geometries fully characterized in literature. The results related to this part are proposed focusing on the procedure that leads to the creation of the mesh, comparing literature data with numerical results shows a satisfactory agreement. Subsequently real geometries, like spiral and serpentine, have been modeled for which the results obtained like local and average convective heat transfer coefficient and pressure losses are shown; in particular the trends of Nusselt number as a function of Reynolds number have been plotted in order to highlight that the presence of the curvature anticipates the transition from laminar to turbulent flow. With regard to the experimental part, the project of the test section is presented as well as of the entire test apparatus. It will be in geometric (due to the small dimensions of the real heat exchanger), fluid dynamics and thermal similarity and it will allow, in future, to validate the numerical models used so far allowing to proceed finally to the precise sizing of the mini-heat exchanger.

Il lavoro di tesi proposto ha come obiettivo l'analisi dello scambio termico in convezione forzata all'interno di condotti curvi finalizzata al dimensionamento di un mini scambiatore di calore per raffreddare un micro-generatore termoelettrico. Vista la variabilità di forme realizzabili tramite condotti curvi (spirali, serpentine, ….) non sono state trovate in letteratura correlazioni per lo scambio termico e per le perdite di carico adeguate alle geometrie oggetto di studio. Per tale ragione è stato avviato uno studio numerico-sperimentale che però, per le note ragioni sanitarie, ha sviluppato prevalentemente gli aspetti di simulazione numerica. Per poter caratterizzare il moto del fluido e l'incremento di scambio termico apportato è stata condotta un'analisi CFD usando un software commerciale a volumi finiti. Dapprima l'attenzione è stata posta sulla creazione di un modello affidabile che, entro geometrie ampiamente trattate in letteratura, riproducesse fedelmente la fluidodinamica e lo scambio termico in convezione forzata interna; vengono presentati i risultati inerenti a questa parte e viene posta l'attenzione in particolare sullo studio e il procedimento seguito al fine della creazione della griglia di calcolo. Questi confronti mostrano risultati soddisfacenti. Successivamente si è passati alla modellizzazione delle geometrie reali ovvero serpentina e spirale per le quali vengono proposti i risultati ottenuti in termine di coefficiente di scambio termico convettivo locale e medio e di perdite di carico, in particolare vengono proposti gli andamenti del numero di Nusselt in funzione del numero di Reynolds ad evidenziare come la presenza di curvature anticipi la transizione da un regime di moto laminare a un regime di moto turbolento. Relativamente agli aspetti sperimentali, si presenta il progetto della sezione di prova sviluppata in similitudine geometrica (date le piccole dimensioni dello scambiatore reale), fluidodinamica e termica, nonché dell’intero apparato di prova che permetterà, ormai in futuro, di validare i modelli numerici costruiti consentendo così di procedere infine al dimensionamento preciso del mini scambiatore.