Sviluppo teorico di un recuperatore di calore fumi argon ad elevate prestazioni

The objective of the present work is to develop an innovative heat exchanger, which allows to achieve higher levels of compactness compared to a heat exchanger in conventional geometry. The need for compactness is particularly acute because the heat exchanger examined must operate the heat recovery in a gas / liquid thermodynamic cycle, suitable for small power. It is considered a tube-in-plate heat exchanger and, after having made a proposal for the sizing of conventional geometry, it is evaluated the possibility of applying the fin also internally to the tubes. This solution is in itself very advantageous because it allows interesting volume reductions without penalizing the pressure losses, provided to work with a larger diameter in order to maintain the same pumping power of the conventional case. However, an internally finned tube is not compatible with a tube-in-plate heat exchanger since the pipes must be subjected to a process of mechanical expansion with a spindle to create the thermal contact between the tube surface and the external finning, an operation that would ruin the finned profiles. The proposal to overcome this limitation consists of a thin insert which faithfully reproduces the finned profiles, to be inserted in the tube after the process of tube expansion and then subjected to a further operation of mechanical expansion to ensure the thermal contact, however, realized by means of a shaped spindle. Ultimately, it is possible to obtain heat exchangers with smaller volumes of up to 40% compared to the conventional configuration, in front of an increase in pressure losses, indicatively of 20%.

L’obiettivo del presente lavoro di tesi è quello di sviluppare un recuperatore di calore fumi-argon innovativo, che permetta di raggiungere livelli di compattezza maggiori rispetto ad uno scambiatore a geometria convenzionale. L’esigenza di compattezza è particolarmente sentita perché lo scambiatore di calore preso in esame deve operare il recupero termico in un ciclo termodinamico gas/liquido, adatto per le piccole potenze. Viene preso in esame uno scambiatore di calore a pacco alettato e, dopo aver formulato una proposta di dimensionamento per la geometria convenzionale, viene valutata la possibilità di applicare l’alettatura anche internamente ai tubi. Questa soluzione è di per sé molto vantaggiosa perché consente delle interessanti riduzioni di volume senza penalizzare eccessivamente le perdite di carico, a patto di lavorare con un diametri maggiori per poter mantenere la stessa potenza di pompaggio del caso convenzionale. Tuttavia, un tubo internamente alettato non è compatibile con uno scambiatore di calore a pacco alettato poiché i tubi devono essere sottoposti ad un processo di mandrinatura per creare il contatto termico tra superficie del tubo e alettatura esterna, operazione che rovinerebbe i profili alettati. La proposta per superare questo limite consiste in un sottile inserto che riproduce fedelmente i profili alettati, da inserire nel tubo dopo il processo di mandrinatura e poi sottoposto ad un ulteriore operazione di espansione meccanica per garantire il contatto termico, realizzata però attraverso un utensile sagomato. In definitiva, è possibile ottenere scambiatori di calore con volumi inferiori anche del 40% rispetto alla configurazione convenzionale, a fronte di un aumento delle perdite di carico, indicativamente del 20%.