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L’innovativo metodo ibrido per il calcolo delle prestazioni degli scambiatori di calore nelle condizioni reali di esercizio
Full text linkGli scambiatori di calore trovano applicazioni numerose e diverse in tutti gli ambiti, sia industriali sia civili, e, a seconda delle finalità per le quali sono concepiti e installati, presentano geometrie e fluidi di scambio molto eterogenei. I modelli di calcolo delle performance degli scambiatori di calore, in fase progettuale come in fase di verifica, non sempre danno luogo a risultati soddisfacenti in termini di rispondenza del dato effettivo rispetto a quello calcolato e previsto. Ad esempio, metodi analitici attualmente disponibili non permettono di predire con adeguata accuratezza le performance di scambiatori quali gli evaporatori a batteria utilizzati nelle macchine frigorifere, dove la presenza di un fluido in cambiamento di fase, la formazione di brina su parti della superficie di scambio e la complessa geometria e configurazione dei flussi giocano un ruolo fondamentale nel complesso fenomeno di trasmissione del calore. Per ottenere dei buoni risultati occorrerebbe, allora, fare uso di analisi numeriche termofluidodinamiche (CFD, Computational Fluid Dynamics), piuttosto onerose in termini di costi computazionali quando spinte alla generazione di griglie di calcolo alla scala dei ridottissimi spazi a disposizione del fluido per l’attraversamento dello scambiatore
Ottimizzazione dello scambio termico nelle fasi di stiro e stabilizzazione del monofilamento in HDPE con forni ad acqua e ad aria
Full text linkNella produzione di monofilamenti in polietilene ad alta densità (HDPE), le fasi di stiro e stabilizzazione sono realizzate da forni con elevati consumi di energia termica e bassa efficienza. L’ottimizzazione dei processi può avvenire solo se vi è un’approfondita conoscenza dei fenomeni di trasmissione del calore tra fili e fluido circostante (aria o acqua). I coefficienti di scambio termico dipendono dalla distanza di separazione tra i filamenti che attraversano il forno, come dalla temperatura e dalla velocità relativa tra fili e fluido; le variazioni di questi parametri, se ben gestite nell’ambito di precisi range, consentono di agire efficacemente sulle dimensioni del forno e quindi sui consumi di energia termica.
Le simulazioni termofluidodinamiche condotte prendono in esame due particolari modelli commerciali di forno, uno ad acqua e l’altro ad aria. I risultati ottenuti evidenziano che una distanza di 2,5 mm tra i fili permette di massimizzare il coefficiente di scambio termico convettivo, pari a circa 5000 W/(m2 K) nel caso dell’acqua e a circa 470 W/(m2 K) per l’aria. La potenza necessaria a realizzare i processi è pari a circa 47 kW nel caso della vasca ad acqua e di 17 kW in quello del forno ad aria. Si osserva, dunque, che, per i due modelli di forno esaminati, anche se le condizioni di scambio termico dell’acqua sono molto migliori rispetto all’aria, la possibilità di adottare temperature più elevate di quest’ultima permette una riduzione della potenza totale: il modello di forno ad aria è alimentabile con una potenza pari a circa il 36% di quella necessaria al modello di vasca ad acqua
The design of countercurrent evaporative condensers with the hybrid method
Full text linkThe heat and mass transfer in evaporative condensers are complex to model analytically and numerical simulations, when applied to multi-phase fluid dynamics in complex paths, often involve too high computational costs. Experimental campaigns at full scale of different heat transfer geometries and tube arrangements involve long lead times and high costs as well. The aim of the present work is to overcome the present limitations and to apply a new method to evaluate the overall performance of the countercurrent evaporative condensers, starting from the experimental, numerical or analytical data with a small scale approach. A test bench has been purposely designed and built up in order to reach and keep constant all the parameters determining the evaporative condenser heat transfer performance. In previous experimental contributions available in the literature, the air conditions were not controlled: here, an air handling unit placed before the evaporative condenser inlet allows to set up temperature and relative humidity of air in large ranges. An extended experimental campaign has been carried out to get affordable data to be used to find a relationship correlating the dry bulb temperature and relative humidity of air after its interaction with water and the condenser tubes surfaces, while all the parameters were set up and controlled. The regression function fits well the experimental data as the predicted values of temperature and relative humidity are characterized by a maximum percent deviation lower than 2.5% and 4% respectively. An iterative procedure was then implemented to determine the conditions of air going through the evaporative condenser in order to extend small scale results to full scale performance according to real geometries. The effect of the water flow rate on the cooling capacity was investigated and the results show that an increase of 50% of the sprayed water leads to an increase of 14% of the performance
Il ciclo Kalina alimentato da fonte geotermica a media entalpia
No full textSensibilità crescente alle tematiche di inquinamento ambientale e necessità di risparmiare energia e ricorrere alle fonti di energia rinnovabile
rappresentano le motivazioni di fondo alla base della scelta della risorsa geotermica a media entalpia per la produzione di energia elettrica.
Allo stato attuale, gli avanzamenti tecnologici consentono di sfruttare risorse prima non disponibili e di sviluppare impianti termoelettrici
rispettosi dell’ambiente.
Gli studi dei quali si rende conto in questo lavoro, evidenziano come il ciclo Kalina possa porsi come candidato di rilievo per la produzione
di energia elettrica se accoppiato con risorse geotermiche a medio-bassa entalpia o se alimentato con cascami termici derivanti da processi
industriali.
L’impianto a ciclo Kalina KCS-34, di cui qui si effettua una descrizione e l’analisi termodinamica è modellato con il software di Cycle-Tempo
5.0, si alimenta con la risorsa geotermica e utilizza come fluido evolvente una miscela binaria di acqua ed ammoniaca. Il modello
termodinamico, validato confrontando i risultati forniti dalla simulazione con i dati di esercizio dell’impianto di Husavik (Islanda) è tarato
sulle condizioni ambientali della risorse geotermica italiana e consente di analizzare le performance dell’impianto al variare della portata e
della temperatura del geofluido. Il rendimento di primo principio dell’impianto si attesta su percentuali variabili dal 7% al 12% quantificando
in numeri significativi i vantaggi energetici ottenuti con il ricorso a fonti di energia termica a temperatura compresa tra 90 e 150 °C
A CFD study on the effect of size of fuel sphere on PBR core
No full textIn this work, a thermal-hydraulic investigation of N2 as a coolant in a pebble bed reactor core has been performed using a porous media approach. Three different diameters of fuel sphere have been employed for the numerical simulations. The pebble bed reactor is a kind of packed bed reactor whose core is a long right circular cylinder with a height of 3.5 m and an outer diameter of 3.7 m. The finite volume method was used to solve the governing equations using ANSYS FLUENT 14.5. Several important thermal-hydraulic parameters have been investigated consisting of the coolant and solid temperatures, density, pressure drop, and the coolant temperature. Results show that when the fuel sphere diameter increases, the coolant temperature is almost the same, but the solid temperature increases and the pressure drop decreases
Improvements to the hybrid method applied to the design of plate-finned tube evaporators
Full text linkThe advantage of designing plate-finned tube evaporators applying the hybrid method is to combine low computational costs with the accurate results guaranteed by the use of predictive functions based on results of either numerical, or analytical, or experimental analysis. The high flexibility of the method makes it suitable for use as an effective design tool for evaporators in a wide range of operating conditions. This paper tells about improvements and refinements to the hybrid method algorithm performed to make it even more flexible and consistent with real heat exchangers performance prediction, depending on configuration changes. Part of the algorithm code has been changed in order to extend the application range of the model and several tests have been performed by varying the operating conditions such as the temperature difference between refrigerant and air at the inlet as well as the air relative humidity. The results show how the model is sensitive to the working conditions variations
Semi-analytical model for heat and mass transfer evaluation of vapor bubbling
Full text linkMulti-stage refrigeration systems cover a wide range of possibilities and are diffusing more and more. The idea that inspired this work derived from the need to have a tool to model the energy behavior of the intercooler inside a multi-stage refrigeration system. In this work, a semi-analytical model of a single bubble, injected into the liquid of an intercooler of a multi-stage system, has been developed. The developed model is a set of equations derived from the Fourier equation for heat conduction in defined conditions and includes the effects of sensible and latent heat. The vapor bubble is supposed to be injected in the saturated liquid contained in a tank at a defined depth, at an intermediate pressure. The model has been implemented in Matlab and the results show the influence of the liquid surface tension, the injection depth and the thermal diffusivity of the vapor. The model developed here is a useful low-cost tool for evaluating heat transfer optimization of a separator/intercooler of a multi-stage refrigeration system
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