Heat transfer

Giuseppe Starace, phd/Fields of activity

updated/checked on 4th April 2019

Convective heat transfer for industrial and automotive applications

Complex geometries of fins of radiators used for the cooling of water, oil and air in the automotive field have been modeled on CFD simulation programs.
The investigated geometries were those named "offset strip fin" , both single and coupled, "wavy fin" and "internally finned extruded tube" , all of them welded in brazed aluminum exchangers with innovative manufacturing techniques. Their thermo-fluid-dynamic analisys together with the consideration of the feasibility of application of numerical simulations on computers have suggested to proceed with the analysis of the problem with an innovative methodological approach.
This consisted in a first macroscopic scale modeling aimed to the definition of the actual boundary conditions and in a second survey at a small scale size on a defined geometry at the finning level with the use of the boundary conditions found in the previous step.
The analysis of the results showed the onset of turbulence for the effect of the particular geometries investigated and allowed to evaluate and to compare the performance of the finning schemes between them and with the results in the literature. In addition, for the "offset strip fin" scheme a sensitivity analysis has been conducted to the parameters which allowed their better understanding in terms of fluid dynamics and heat transfer. Radiators performance have been then inferred by extrapolation, by accounting for the contributions of single elements at the smallest scale.
Studies on heat exchangers for the automotive industry continued with a more refined approach to the identification of the actual operating conditions for individual fins in various parts of the exchanger, solving cases via iterations methods and placing them in arrays of different possible cases. The results of these studies are still in progress and have not been published yet.
Another type of heat exchanger performance was investigated to be designed for a thermophotovoltaic generator application, The need was for a compact regenerative device and under important temperature (regenerative plate heat exchanger with globally countercurrent and locally cross-flow scheme).
Several cases have been simulated for different operating conditions to identify the ε-NTU curves of the heat exchanger and pressure drops at both hot and cold sides. The results of this activity have suggested to develop a design procedure to choose for the most suitable geometry depending on the needs of the project.
For this reason, with the aid of an optimization algorithms, an activity is being pursued which puts together the CFD and the optimization instrument to simulate cases to be easily related during a dimensioning activity of an heat exchanger design.
The numerical simulation has been validated by experimental results found with traditional detection techniques which have produced results aligned with those expected.

Lo scambio termico convettivo per applicazioni industriali e di tipo veicolistico

Si sono modellate al calcolatore geometrie complesse di alettature di radiatori per uso veicolistico utilizzati per il raffreddamento di acqua, olio e aria.
Le geometrie indagate del tipo “offset strip fin” singolo ed accoppiato, “wavy fin” e “tubo estruso alettato internamente”, integrate in scambiatori di alluminio saldobrasati con tecniche innovative, insieme alla considerazione della reale applicabilità delle simulazioni numeriche ai calcolatori di prestazioni non eccezionali, hanno suggerito di procedere all'analisi del problema con un approccio metodologico innovativo.
Questo è consistito nella prima modellazione macroscopica per la definizione delle condizioni al contorno e nella seconda indagine su piccola scala su di una geometria definita al livello dell'alettatura con l'utilizzo delle condizioni al contorno trovate nella analisi precedente.
L'analisi dei risultati ha evidenziato l'insorgere della turbolenza per l'effetto delle particolari geometrie indagate e ha consentito di valutare e di confrontare le prestazioni delle alettature tra di loro e con le relazioni presenti in letteratura. In più per la geometria “offset strip fin” è stato condotto uno studio di analisi di sensibilità ai parametri che ha consentito una conoscenza più approfondita delle stesse geometrie.
Le prestazioni termiche e fluidodinamiche complessive dei radiatori sono poi state dedotte per estrapolazione sommando gli apporti dei singoli elementi microscopici.
Gli studi sugli scambiatori per uso veicolistico industriale sono continuati con un approccio ancora più raffinato per l'individuazione delle condizioni reali di esercizio per le singole alettature nelle varie zone degli scambiatori risolvendo casi puntuali per iterazioni successive e inserendoli in matrici di soluzione delle diverse casistiche possibili.
I risultati di questi ultimi studi non sono stati ancora pubblicati.
E' stato studiato in termini di prestazioni un altro tipo di scambiatore, traendo spunto da un'applicazione per un generatore termofotovoltaico, che necessitava di un dispositivo compatto e approccio di tipo rigenerativo sotto importanti differenze di temperatura (scambiatore a piastre rigenerativo con disposizione globalmente controcorrente e localmente a flussi incrociati).
Sono stati simulati numerosi casi in condizioni di funzionamento diverse per individuare le curve ε-NTU dello scambiatore e insieme quelle di caduta di pressione per i fluidi i. I risultati di questa attività hanno suggerito di mettere a punto un procedimento di progettazione per la scelta della geometria più adatta in funzione delle necessità progettuali. Per questo, con l'ausilio di algoritmi di ottimizzazione, si sta portando avanti una attività che integra lo strumento CFD con quello di ottimizzazione per ottenere casi cui riferirsi facilmente durante una attività di sizing di uno scambiatore di calore con queste caratteristiche.
L'attività numerica di simulazione è stata supportata da un lavoro di natura sperimentale con tecniche di rilevazione del dato tradizionali, che ha prodotto risultati in linea con quelli previsti.