Exergy analysis of an air cooled heat exchanger and of a mixed flow nozzle

The aim of this dissertation is to present the work realized at Safran Aircraft Engines to evaluate and test the exergy approach on industrial-relevant test cases. Exergy is a thermodynamic concept that exists since the late 19-th century and it is defined as the "profitable" part of energy, hence the amount of energy that can be exploited through a machine to extract useful work and that is reduced by the irreversible processes inside the system. But it's not until the beginning of the 1970's that we observe the advent of a mature exergy theory and a major work to create a unified formulation of the exergy balance and analysis was done by Arntz in its PhD dissertation. Nowadays, exergy analysis is a well-known academic methodology. However it has little or no application in the industrial design and development. The industries are still reluctant about this approach mainly because the variables defined in the method are different from traditional performance indicators commonly handled by engineers. Moreover, easy relations between the "mechanical" and "exergetic" quantities are still to be identified. In this work the reader will find the practices implemented by the author in the attempt to increase the know-how of the method to possibly support its application on an industrial level. The first case study is a heat exchanger, the Surface Air-Cooled Oil-Cooler (SACOC), located in the bypass duct of the engine just downstream of the fan. In particular, the study of this engine component provides an insight into the thermal effects in the exergy balance, in this sense, different configurations and boundary conditions were evaluated. Later the exergy approach was applied to a long ducted mixed flow (LDMF) nozzle. In this configuration the primary and secondary flow are mixed before the expansion in the nozzle by a mixer which presents lobes whose role is to trigger the generation of vortices. This component strongly enhances the mixing but also results in relevant pressure losses if not carefully designed, it is at this stage that exergy analysis could play a significant role. The most interesting amongst the nozzle cases is the choked nozzle with shock wave on the exit section, where the effect of the shock discontinuity is assessed. One of the main objectives of the analysis was to try and relate exergy quantities to pressure losses. Two paths were followed: one was "semi-empirical" since it was based simply on the results of the exergy balance and the pressure losses computed from the CFD results and the other was "analytical" since it was derived mathematically invoking the principles and definitions of thermodynamics. The exergy approach demonstrated strong potential and allowed detailed insight on the phenomena observed in the flow. Nonetheless, some difficulties were encountered and the gap between the classical mechanical performance analysis and the exergy analysis is not yet closed. More studies and researches should be undertaken to make the exergy approach a viable alternative and a tool for industrial design.

L'obiettivo di questa tesi è di illustrare il lavoro svolto presso Safran Aircraft Engines nel corso di uno stage semestrale, per valutare l'analisi tramite exergia su casi test rilevanti per l'industria. L'exergia è un concetto termodinamico che esiste dalla fine del 19° secolo ed è definita come la parte "profittevole" dell'energia, cioè la quantità di energia che può essere sfruttata attraverso una macchina per estrarre lavoro utile e che viene consumata dai processi irreversibili che avvengono all'interno del sistema. Ma è solo all'inizio degli anni '70 che una teoria dell'exergia precisa viene formulata. Un lavoro fondamentale di unificazione del bilancio di exergia e dell'analisi tramite exergia è stato fatto da Arntz nella sua tesi di dottorato. Anche se questo metodo é ben noto al mondo accademico, lo stesso non può essere detto per il mondo industriale ancora restio nei confronti di questo metodo. L'inconveniente principale é che le quantità definite in questo approccio non sono ancora facilmente riconducibili ai parametri classici (perdite di carico ed efficienze) con cui gli ingegneri sono abituati a lavorare e a confrontarsi. In questa dissertazione il lettore troverà i tentativi compiuti dall'autore al fine di aumentare la conoscenza di questo approccio e di ottenere delle competenze per, eventualmente, supportarne l'applicazione in un'ottica industriale. Il primo caso di studio esaminato è quello di uno scambiatore di calore (SACOC) situato nella vena secondaria del motore, subito a valle del fan. In particolare, lo studio di questo componente del motore permette di concentrare l'attenzione sugli effetti termici; in questo senso, sono state valutate molteplici configurazioni con diverse condizioni al contorno imposte. In seguito, l'approccio exergetico è stato applicato a un ugello con mixer (LDMF). In questa configurazione il flusso primario e quello secondario vengono miscelati prima dell'espansione nell'ugello da un mixer dotato di lobi che migliorano fortemente la miscelazione, ma che al contempo comportano delle perdite di pressione rilevanti se non vengono progettati con cura. L'analisi exergetica potrebbe giocare un ruolo significativo proprio nella fase di disegno e progetto di tale componente. Il caso più interessante è quello dell'ugello sonico dove viene valutato l'effetto della presenza di un'onda d'urto sulla sezione di uscita dell'ugello. Uno degli obiettivi cardine dell'analisi è stato quello di cercare di trovare una relazione tra le quantità exergetiche e le perdite di pressione. A tal fine, sono state seguite due strade: una "empirica", basata semplicemente sui risultati del bilancio energetico e sulle perdite di pressione calcolate dai risultati della CFD, e l'altra "analitica", derivata matematicamente invocando i principi e le definizioni della termodinamica. L'approccio exergetico ha dimostrato un forte potenziale e ha permesso di comprendere nel dettaglio i fenomeni osservabili nel flusso. É tuttavia necessario sottolineare alcuni inconvenienti legati principalmente alla novità che questo metodo rappresenta. Numerosi studi e ricerche dovrebbero essere condotti prima di considerare questo metodo sufficientemente maturo da poter essere usato in campo industriale.