Seconda Università degli Studi di Napoli

Seconda Università degli Studi di Napoli
Giornate Scientifiche di Ateneo 2010
ANALISI DELL'INCREMENTO DELLO SCAMBIO TERMICO NELLA CONVEZIONE
FORZATA IN CANALI
Ricci D. (1)
Dottorato di Ricerca in : Ingegneria Meccanica
(1) Seconda Università di Napoli, Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale e Meccanica, Via Roma 29, 81031 Aversa - CE
Parole chiave: Trasmissione del Calore, Tecniche di incremento dello scambio termico, Convezione forzata
I metodi di incremento dello scambio termico svolgono un ruolo importantissimo nello sviluppo di sistemi più efficienti in
applicazioni quali scambiatori di calore, utilizzati nell'industria di processo, in quella automobilistica, nell'industria del freddo,
nei ricevitori solari [1]. Tali metodologie si dividono in tecniche passive e attive in base alla possibilità o meno di spendere
dell'energia dall'esterno per migliorare le caratteristiche termiche dei dispositivi [2]. Metodi, che prevedono l'utilizzo di
superfici rivestite, rugosità integrata, promotori di turbolenza o additivi nei fluidi evolventi, rientrano tra le tecniche passive. Si
è scelto di svolgere mediante l'ausilio del codice FLUENT, un'indagine numerica, relativa a condotti provvisti di promotori di
turbolenza, destinati a favorire l'incremento della turbolenza localmente e, di conseguenza, l'aumento dei coefficienti di scambio
termico. Inizialmente, si è adoperato un modello numerico 2-D, costituito da un condotto rettangolare, provvisto di una sezione
di prova lunga 190 mm, alta 10 mm (D) e spessa 3 mm. Inoltre, un modello 3-D è stato realizzato per valutare l'effetto
dell'inclinazione di turbolatori trasversali [3]. Un flusso costante pari a 10 kW/m2 è applicato sulla superficie esterna. I
promotori sono ricavati sulla superficie interna e hanno diverse altezze (e/Dh = 0.02 e 0.05), passo (p), larghezza (w) e forme
(quadrata; rettangolare, w/e = 0.5 e 2.0; triangolare, w/e = 1.0 e 2.0; trapezoidale, isoscele e rettangolo. Sono state condotte
simulazioni laddove il passo varia tra 4 e 20. Diverse velocità vengono imposte all'ingresso, tali in da assicurare numeri di
Reynolds compresi tra 20000 e 60000, corrispondenti a flussi in regime turbolento. In particolare, aria (modelli a proprietà
costanti e variabili con la temperatura), acqua (proprietà costanti) e miscele acqua/nanoparticelle di allumina (proprietà
variabili, diametro nanoparticelle pari a 100 nm) sono stati considerati come fluidi evolventi. Il modello turbolento adoperato è il
k-??sst. E' stata effettuata l'analisi di sensibilità della soluzione alla griglia ed i risultati sono stati confrontati con quelli
disponibili in letteratura. Nel caso di aria, i risultati mostrano coefficienti di scambio più elevati all'aumentare del passo per tutti
i numeri di Reynolds considerati. Per i turbolatori quadrati, rettangolari e trapezoidali, il massimo Nusselt è calcolato per p/e =
12, valore molto simile a quello riscontrato sperimentalmente da [4]. Le ribs triangolari, invece, mostrano le migliori
performance termiche a p/e = 10. Le perdite di carico più elevate si riscontrano per valori del passo pari a 8 (ribs triangolari) e
10. In generale, coefficienti d'attrito più bassi sono calcolati nel caso di promotori rettangolari con w/e = 2.0. Naturalmente, la
variazione dell'altezza del promotore comporta una riduzione del numero di Nusselt di circa 1/3 e delle perdite di carico di circa
2 volte. Inoltre, per numeri di Reynolds superiori a 40000, il coefficiente di attrito risulta tendere verso un valore asintotico,
verificandosi la cosiddetta condizione di regime completamente rugoso, tranne che per il caso con promotori triangolari, per i
quali tale fenomeno si verifica per valori più elevati del numero di Reynolds [5]. Nel caso venga utilizzato un fluido con numeri
di Prandtl più elevati, come l'acqua o le miscele acqua/nanoparticelle di allumina, i valori massimi del numero di Nusselt sono
rilevati per passi leggermente più piccoli. Nelle configurazioni con promotori rettangolari, quadrati e trapezoidali, i valori più
elevati dei coefficienti di scambio sono calcolati per p/e = 10 mentre per i turbolatori triangolari si riscontrano per p/e = 6 [6,7].
L'utilizzo di miscele di nanofluidi con concentrazioni pari a 1% e 4%, l'incremento dello scambio termico è molto evidente, con
valori dei coefficienti di scambio che possono superare di 3-4 volte, quelli calcolati per i canali lisci con acqua o con nanofluidi
[8]. Purtroppo, le perdite di carico e gli sforzi di taglio aumentano in modo considerevole.
[1] Webb, R.L., Kim, N.H., 2008, "Principles of Enhanced Heat Transfer,µ 2nd ed., Taylor&Francis Group, New York, NY, pp. 285347.
[2] Bergles, A.E., 1998, "Some Perspectives on Enhanced Heat Transfer, Second-generation Heat Transfer Technology,µ ASME
Journal of Heat Transfer, vol. 110, pp. 1082-1096.
[3] Manca, O., Nardini, S., Ricci, D., 2010, "Numerical Study of Air Forced Convection in a Rectangular Channel Provided with
Ribs,µ Proc. of the 2010 ASME Intl. Heat Transfer Conference, Washington, D.C., USA, paper IHTC14-23244.
[4] Liou, T.M., Hwang, J.J., Chen, S.H., 1993, "Simulation and Measurement of Enhanced Turbulent Heat Transfer in a Channel with
Periodic Ribs on One Principal Wall,µ Intl. Journ. of Heat and Mass Transf., vol. 36, pp. 507-517.
[5] Manca, O., Nardini, S., Ricci, D., 2009, "A Two-dimensional Numerical Investigation on Forced Convection in Channels with
Transverse Ribs,µ Proc. of the 2009 ASME IMECE Conference, Lake Buena Vista, Florida, USA, paper IMECE2009-11203.
[6] Manca, O., Nardini, S., Ricci, D., 2010, "Numerical Investigation of Water Forced Convection in Channels with Transverse Ribs,µ
ASME-ATI-UIT 2010 Conference on Thermal and Environmental Issues in Energy Systems, Sorrento.
[7] Manca, O., Nardini, S., Ricci, D., "Numerical Analysis of Nanofluids Forced Convection in Channels with Transverse Ribs,µ
XXVIII Congresso UIT sulla Trasmissione del Calore, Brescia.
[8] Maiga, S.E.B., Cong Tam, N., Galanis, N., Roy, G., Mare, T., Coqueux, M., 2006, "Heat Transfer Enhancement in Turbulent Tube
Flow Using Al2O3 Nanoparticle Suspension,µ Intl. Journ. of Num. Meth. in Heat and Fluid Flow, vol. 16, pp. 275-292.
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