Riassunto analitico
Con il presente elaborato di tesi, si è voluta ricercare una correlazione, che possa esprimere il coefficiente di scambio termico convettivo h, in particolari condizioni di moto del flusso, ossia per flusso interno swirlato con un determinato angolo all’ingresso e con riferimento ad una geometria al contorno particolare. Il flusso è infatti costretto ad attraversare una corona circolare limitata da due condotte cilindriche di diverso diametro. Lo studio verte alla ricerca della correlazione che tenga conto anche di ulteriori parametri, come il regime di moto, che varierà da laminare a turbolento e la differenza di temperatura ∆T tra pareti e fluido.
Lo scambio termico convettivo è di fondamentale importanza negli scambiatori di calore, questi ultimi sfruttando i principi termodinamici alla base del loro funzionamento, sono molto impiegati in campo ingegneristico, come ad esempio nel recupero di energia termica dai fumi dei bruciatori nell’industria ceramica, oppure nel riscaldamento e condizionamento di edifici. Questi sono solo pochissimi esempi delle molteplici applicazioni degli scambiatori, che per tanto sono oggetto di continui studi e congiuntamente necessitano di sviluppo per migliorare la propria efficienza.
Nella presente analisi si considerano condizioni di funzionamento ed al contorno diverse da quelle classiche e canoniche con flusso longitudinale nel condotto circolare, sul quale sono stati già effettuati numerosi studi. In letteratura scientifica infatti sono già presenti delle correlazioni in grado di esprimere il coefficiente di scambio termico convettivo h per flusso diritto (senza componente di swirl) al variare del numero di Reynolds e Prandtl; queste correlazioni prendono il nome dagli studiosi che le hanno formulate, ad esempio Gnielinski, Dittus-Boelter, o ancora Sieder-Tate. Nel presente studio si è invece proceduto alla ricerca di una nuova correlazione, basandoci e confrontandoci con queste sopra citate valide per flusso diritto, cercando di implementare in esse ulteriori termini, che possano tenere in considerazione la presenza dell’angolo di swirl del flusso all’ ingresso, dei diversi rapporti di diametro tra parete esterna ed interna della corona circolare ed infine del salto di temperatura ∆T tra pareti e fluido.
Lo studio sarà eseguito mediante analisi numerica al calcolatore, utilizzando il codice open source di fluidodinamica computazionale OpenFOAM. Dai dati forniti in uscita dalle analisi, si è potuto stimare un valore di h medio per ciascuna simulazione, a partire da questo si è risaliti al Numero di Nusselt corrispondente. Si sono inoltre stimati i numeri di Reynolds, Prandtl ed altre grandezze rappresentative di ciascun caso necessarie per calcolare i valori di Nusselt e quindi di h, per mezzo delle correlazioni classiche già note in letteratura e citate in precedenza. Infine si sono confrontati i valori di Nusselt ed h provenienti dai percorsi diversi (dal calcolo computazionale e dalle correlazioni esistenti) per verificare la bontà dei risultati del calcolatore. In seguito attraverso un accurata elaborazione dei risultati si è ottenuta la correlazione cercata e oggetto di tale studio.
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