Giacomo Di Nino
Studente/i
Relatore
Jonathan Roncolato
Corso di laurea
N° Progetto
2020/2021
Anno
Ingegneria meccanica
C10309
08/02/2021
Data
Studio sperimentale e numerico di un banco test per
uno scambiatore di calore a tubi e mantello
Correlatore
Davide Montorfano
Committente
Maurizio Barbato
Obiettivi
Gli obiettivi principali prevedevano:
• impostazione della campagna sperimentale e relativa raccolta dati;
• realizzazione del modello analitico dell’intero banco prova (scambiatore e circuito dell’acqua calda) dopo analisi della letteratura;
• validazione del modello e confronto degli errori; • analisi del transitorio termico.
Conclusione
I tre modelli analitici identificati hanno portato ad ottimi risultati per i valori di portata studiati in entrambe le modalità di flusso (controcorrente ed equicorrente): il discostamento delle temperature in uscita dallo scambiatore è sempre inferiore a 1 ºC mentre l’indice R2, calcolato sul valore delle temperature in
uscita, è sempre molto prossimo all’unità, leggermente migliore
per Nitsche.
Il modello analitico per la descrizione del transitorio dimostra un andamento del tutto simile a quello dei dati sperimentali a meno di piccole fluttuazioni (nel caso peggiore comunque inferiori a 0.5 ºC).
Una volta nota la caratteristica ideale della pompa per la portata volumica massima è stato possibile ricavare il numero di giri minimo in corrispondenza della portata minima misurata.
Abstract
Il lavoro di diploma si è focalizzato sullo studio del banco prova Armifield HT30 XC equipaggiato con uno scambiatore di calore a tubi e mantello (HT33).
Una prima fase ha compreso l’identificazione delle prove sperimentali significative per la successiva validazione del modello dello scambiatore e la raccolta delle caratteristiche del banco prova.
Per lo scambiatore di calore sono stati identificati tre modelli, basati sul metodo 𝜀 − 𝑁𝑇𝑈: il primo costruito sulle conoscenze acquisite dai corsi di studio (Standard), i rimanenti trovati in letteratura e più specifici per gli scambiatori a tubi e mantello (Kern e Nitsche).
Un breve studio del transitorio iniziale ha permesso di identificare, tramite un bilancio di potenza, la risposta dinamica della temperaturadell’acqua calda entrante nello scambiatore. Nell’analisi del circuito del banco sono state prese in considerazione le perdite termiche e di carico nei tubi, ricostruendo la curva di resistenza caratteristica. Noti quindi i punti di funzionamento della pompa centrifuga, tramite l’analisi adimensionale e lo studio dei triangoli di velocità si sono dedotte le caratteristiche ideali della pompa per i valori di portata minima e massima.
In alto dettaglio dello scambiatore tubi e mantello Armfield HT33, il grafico di comparazionedell’errore dei tre modelli analizzati e la validazione della soluzione analitica di un transitorio.
In basso immagine del banco prova Armfield HT30 XC ed identificazione dei punti operativi del circuito acqua calda indicati dall’intersezione della curva di resistenza del circuito (blu) con le carattistiche ideali della pompa centrifuga dedotte per la portata volumica massica (rosso) e minima (viola).
92 Pa 1484.6 Pa 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 P ressio n e [P a]
Portata volumica [l/min] n = 1500 rpm n = 348 rpm -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ∆T (m ode llo -sp erim en tale ) [° C]
Temperatura sperimentale all'uscita scambiatore [°C] Standard Kern Nitsche R2= 0.9984 R2= 0.9984 R2= 0.9985 26.0 26.5 27.0 27.5 28.0 28.5 29.0 29.5 30.0 30.5 31.0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Tem p er atu ra ing resso la to c ald o [ °C] Tempo [sec] Analitico Sperimentale
