RICERCA ITALIANA     

Progettazione robusta di scambiatori di calore

Università degli Studi di Trieste

Abstract

In questo progetto si intendono sviluppare metodologie numeriche innovative sia relativamente alla simulazione numerica dello scambio termico che relativamente alle tecniche di ottimizzazione.
Nell'ambito della simulazione si intende utilizzare software di uso industriale per la simulazione di geometrie complesse (CFX) e contestualmente sviluppare un codice proprietario basato su SFEM+IBM (Spectral Finite Element + Immerse Boundary Methods) per problematiche conduttive.
Nell'ambito dell'ottimizzazione si intende sviluppare una nuova metodologia per la progettazione robusta, in grado cioé di identificare soluzioni progettuali che non risentano di modeste variazioni ambientali o altre fonti di inaccuratezza.
Le tecnologie sviluppate, integrate poi sulla piattaforma di progettazione modeFRONTIER, consentiranno di ottimizzare uno scambiatore rigenerativo per una micro turbina a gas.
Alcuni elementi delle geometrie ottimali verranno poi utilizzati per validare, in similitudine, i risultati numerici ottenuti.

Il progetto si articola in sei fasi principali: due sotto la responsabilità dell’unità operativa 1 e quattro sotto la responsabilità dell’unità operativa 2.
Compiti e fasi dell’unità operativa 1 sono:
- lo sviluppo di una metodologia innovativa di simulazione
- la validazione numerica delle tecniche di ottimizzazione adottabili per problematiche di scambio termico
Compiti e fasi dell’unità operativa 2 sono:
- la definizione di un problema concreto di progettazione di uno scambiatore rigenerativo per micro turbina a gas
- lo sviluppo di tecniche di “robust design”
- l’ottimizzazione dello scambiatore rigenerativo
- la verifica sperimentale del comportamento fluidodinamico di un elemento dello scambiatore
L’interattività fra le diverse fasi del progetto è tale che una netta separazione fra esse non sia del tutto possibile sebbene siano chiaramente individuate le responsabilità dei due gruppi di ricerca. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Carlo POLONI Università degli Studi di TRIESTE

Obiettivo del Programma di Ricerca

L'ottimizzazione di forma costituisce una strategia molto efficace ai fini dell'incremento dell'efficienza dello scambio termico in svariate applicazioni industriali, quali il raffreddamento di turbine a gas, gli scambiatori di calore "compatti" ed il raffreddamento di componenti elettronici. Tutte queste applicazioni
condividono l'esigenza comune di ottenere un buon rapporto tra efficienza di scambio termico ed efficienza idrodinamica. Tuttavia, ci sono altri aspetti da considerare, quali la resistenza allo sporcamento e la semplicità realizzativa.

In questo contesto, la Fluidodinamica Computazionale (CFD) è uno strumento consolidato per predire il comportamento di dispositivi di scambio termico e per testare diverse alternative progettuali, limitando la realizzazione di costosi tests sperimentali.

Questo progetto di ricerca ha come obiettivo lo sviluppo di una metodologia integrata e innovativa per la progettazione dettagliata di scambiatori di calore compatti e l'applicazione di tale metodologia alla progettazione di un componente di rilevanza industriale.

La progettazione meccanica tradizionale porta tipicamente alla definizione di una soluzione "fattibile" che soddisfa le specifiche di progetto ma è chiaro che questo approccio non necessariamente comporta la realizzazione di componenti "ottimi".
In tempi recenti l'impiego di avanzate tecniche di ottimizzazione ha reso possibile l'automazione del processo di ricerca di una soluzione.
Questo modo di procedere ha pero'anche messo in luce le limitazioni dei modelli numerici e di conseguenza della procedura di ottimizzazione in se': un buon ottimizzatore infatti analizza i risultati delle singole simulazioni in modo automatico, per cui eventuali difetti del modello, che si possono evidenziare in modo "casuale" in alcune condizioni di calcolo, non vengono sottoposti all'analisi critica del progettista e possono così finire per indirizzare il processo verso soluzioni fisicamente non realistiche.
Oltre a questo, quando un componente deve essere prodotto, le prestazioni previste numericamente devono conservarsi anche nelle condizioni reali di funzionamento, tenendo conto sia delle incertezze dovute alle tolleranze di fabbricazione sia di quelle relative all'ambiente in cui il componente si trova ad operare.
E' quindi chiaro che per soddisfare pienamente l'obiettivo del progetto di ricerca proposto, devono essere sviluppate o adattate varie tecnologie, perseguendo una serie di obiettivi secondari mirati al miglioramento dell'intera catena progettuale, la quale presenta i seguenti punti critici:

- definizione parametrica della forma delle superfici di scambio;
- metodologia di simulazione (modelli numerici per la simulazione dello scambio termico);
- metodologie per la gestione e simulazione delle incertezze;
- algoritmi di ottimizzazione;
- metodologie di validazione sperimentale mirate alla validazione del processo di progettazione.

Ciascuna unità operativa di questo progetto ha competenze specifiche e complementari relative a tutti gli aspetti critici della progettazione di scambiatori di calore compatti e contribuirà pertanto in modo mirato allo sviluppo, implementazione e validazione della metodologia di progettazione proposta. <<<

Risultati parziali attesi

Il principale risultato della prima fase sarà la verifica della fattibilità di un metodo numerico innovativo per il calcolo di scambiatori di calore basato su SFEM+IBM su casi 2D.Il principale risultato di questa fase sarà lo sviluppo di una metodologia di ottimizzazione basata sulla integrazione tra SFEM+IBM e modeFRONTIER applicata a casi 2D.Durante questa fase saranno definite le condizioni di progetto del rigeneratore necessarie per il dimensionamento preliminare dello scambiatore, e saranno individuate le possibili fluttuazioni stocastiche indotte.Durante questa fase saranno definite le metodologie numeriche per poter sviluppare un criterio di progettazione, sulla base delle strategie di Robust Design.Risultato della fase sarà la definizione di un modello parametrico complessivo dei canali dello scambiatore di calore in esame, e la successiva progettazione mediante ottimizzazione, seguendo una metodologia multi obiettivo e di robust design.Risultato della fase sarà la verifica sperimentale su modelli semplificati e in condizioni di similitudine delle prestazioni previste per lo scambiatore progettato. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

L'ottimizzazione di forma costituisce una strategia molto efficace ai fini dell'incremento dell'efficienza dello scambio termico in svariate applicazioni industriali, quali il raffreddamento di turbine a gas, gli scambiatori di calore "compatti" ed il raffreddamento di componenti elettronici. Tutte queste applicazioni condividono l'esigenza di ottenere un buon rapporto tra efficienza di scambio termico ed efficienza idrodinamica. Tuttavia, ci sono altri aspetti da considerare, quali la resistenza allo sporcamento e la semplicità realizzativa. In questo contesto, la Fluidodinamica Computazionale (CFD) è uno strumento consolidato per predire il comportamento dei dispositivi di scambio termico e per testare diverse alternative progettuali, limitando la realizzazione di costosi
tests sperimentali.
Una vasta letteratura dimostra l'esigenza di adeguate tecniche di ottimizzazione di forma; ad esempio in [1] è stato considerato uno scambiatore di calore a piastre, costituito da piastre ondulate; la lunghezza d'onda, la distanza tra le piastre, l'angolo di inclinazione tra le direzioni delle ondulazioni ed il numero di Reynolds erano assunti come parametri di ottimizzazione ed erano modificati al fine di determinare la configurazione "ottimale". L'incremento dello scambio termico tra un fluido ed una superficie può anche essere conseguito applicando dei "generatori di turbolenza" [2,3], comunemente adottati negli scambiatori a tubi alettati al fine di incrementare il mescolamento del fluido a valle dei tubi.
Il procedimento di ottimizzazione attualmente adottato consiste nel prescrivere la geometria, le condizioni al contorno e le proprietà termofisiche e nel risolvere le equazioni che descrivono il fenomeno in esame, iterando il processo finché non sia stata conseguita una prestazione adeguata. Il successo di tale procedura è fortemente connesso all'abilità del progettista ed una prestazione "ottima" è difficile da conseguire, particolarmente nei casi in cui il numero di variabili di progetto sia elevato e quando sia necessario soddisfare svariati vincoli.
Un approccio alternativo consiste nell'utilizzare metodi di ottimizzazione, che possono essere considerati come strumenti generali per la progettazione automatica. Questi metodi sono stati applicati con successo alla progettazione di superfici corrugate [4], ottimizzando le prestazioni delle corrugazioni in termini di un buon compromesso tra incremento dello scambio termico e riduzione delle perdite idrodinamiche per attrito. Le variabili di progetto erano il rapporto spessore-altezza delle costolature ed il rapporto tra passo ed altezza. Superfici di maggiore complessità sono state trattate in [5], laddove la superficie corrugata è stata rappresentata tramite un polinomio di quinto grado e le variabili consistevano nei valori del profilo in corrispondenza a posizioni prefissate. In questa applicazione l'utilizzo di un algoritmo genetico ha consentito di ottenere un incremento dello scambio termico del 30% rispetto alla configurazione di parete piana.
Nella modellistica attuale, i metodi di analisi e progettazione sono basati sulla simulazione deterministica, nella quale i parametri di input (definizione della geometria, definizione delle condizioni di funzionamento, parametri numerici dei modelli fisici, etc.) sono fissi. Questa è ovviamente una approssimazione delle condizioni reali, nelle quali, evidentemente, c’è la possibilità di avere incertezze, derivanti da una variabilità delle condizioni di funzionamento (condizioni al contorno da un punto di vista numerico), incertezze geometriche (tolleranze costruttive), ed incertezze derivanti da una conoscenza non perfetta del modello numerico da utilizzare. Di conseguenza risulta fondamentale riuscire a definire e quantificare queste incertezze fin dalla fase iniziale della progettazione virtuale.
Le motivazioni per le quali risulta essenziale introdurre durante la fase di progettazione virtuale in modo sistematico la modellizzazione numerica delle incertezze [8]possono essere raggruppate in due punti principali:
- aumento della confidenza del modello numerico;
- diminuzione dei rischi derivanti da un funzionamento del sistema in condizioni diverse da quelle definite nella fase iniziale della progettazione[6].
Quindi c’è la richiesta di nuove metodologie numeriche per la modellizzazione delle incertezze nella simulazione, con l’introduzione dei risultati nella progettazione industriale.
Parallelamente alla fase di simulazione numerica, l’utilizzo sempre più estensivo di risorse computazionali ha portato allo sviluppo di una nuova metodologia di progettazione, che si avvale della fase di ottimizzazione numerica[11].
L’utilizzo di metodologie integrate CAD-CAE ha reso ormai maturo il concetto di CAO (Computer Aided Optimization), cioè la definizione parametrica del sistema/prodotto da progettare che, con la simulazione e con la definizione delle caratteristiche volute, grazie all’utilizzo di metodologie numeriche di ottimizzazione, porta a ricercare in modo automatico le soluzioni ottime ai fini del progetto. Certamente le considerazioni sulla presenza di incertezze che influiscono nella realizzazione del prodotto devono essere trasportate nella fase di ottimizzazione[6].
La metodologia sarà applicata allo studio di un componente che, oltre a presentare contenuti tecnici interessanti ed attuali, ben si presta ad un approccio progettuale basato sui concetti sopra illustrati, e cioè un rigeneratore per microturbine a gas destinate alla produzione di energia elettrica.
Si tratta di macchine con una potenza elettrica dell’ordine di grandezza delle decine o di alcune centinaia di kW, tipico delle moderne applicazioni nel settore della generazione distribuita sul territorio. Il mercato di questi dispositivi è nuovo, oggi ancora quasi inesistente, ma con prospettive di sviluppo estremamente interessanti già nel breve periodo.
Le microturbine adottano per esigenze di semplicità, compattezza e costo compressori centrifughi monostadio e turbine centripete, anch’esse monostadio e prive di sistemi di raffreddamento delle palettature, difficilmente realizzabili con quel tipo di geometria. Ne deriva un forte limite sul valore di rendimento ottenibile, che può variare tra il 15% e il 18%, rendendo di fatto interessanti solamente le applicazioni cogenerative.
Si possono però ottenere notevoli riduzioni del consumo dotando la microturbina di un rigeneratore.
Questo è uno scambiatore di calore aria/prodotti della combustione il quale, sfruttando il calore dei gas scaricati ad alta temperatura dalla turbina provvede a riscaldare l’aria comburente mandata dal compressore, prima del suo ingresso nella camera di combustione. Lo scambio termico descritto è però realizzabile solo in turbine a gas a basso rapporto di compressione, nelle quali la temperatura dell’aria compressa è notevolmente inferiore a quella dei gas di scarico; tale condizione sussiste nelle microturbine, poichè con il compressore centrifugo monostadio di cui sono dotate si realizza tipicamente un rapporto di compressione pari a quattro, che ben si presta alla realizzazione di un ciclo rigenerativo. Il rendimento ottenibile può così arrivare al 28 – 30% in una microturbina allo stato dell’arte, nella quale la temperatura dei gas entranti in turbina è di circa 900°C.
La letteratura tecnico-scientifica internazionale si sta arricchendo di nuovi studi relativi alla rigenerazione (ad esempio [12],[13],[17]), anche con riferimento specifico alle applicazioni su micro-turbine (si veda ad esempio [15], [25]). In quest’ultimo settore sono preminenti gli studi relativi alle tecnologie produttive e all’utilizzo di materiali innovativi (ad esempio [16], [21], [20]), al miglioramento dello scambio termico (ad esempio [18], [19]) alla ricerca di nuove soluzioni costruttive (ad esempio [22], [24]).
Entrando più nel dettaglio, i valori di rendimento sopra citati si possono ottenere con rigeneratori di efficienza pari o superiore all’85% [23]. Quando l’efficienza da realizzare è molto elevata, cioè superiore all’80%, ogni ulteriore incremento comporta un aumento esponenziale della superficie di separazione tra i fluidi, che può essere contenuto e tollerato solo ricercando soluzioni costruttive che massimizzino il coefficiente di scambio termico nonchè la compattezza e la leggerezza del “pacco” costituito dall’assemblaggio delle superfici stesse.
La compattezza di uno scambiatore è definita come il rapporto tra l’area della superficie di scambio termico e il volume del “pacco”: un rigeneratore è definibile “compatto” quando questo rapporto è superiore a 700 m2/m3 [23]. In termini assoluti, i volumi e i pesi dovrebbero essere contenuti tra i valori di 4-5 litri e 8-10 kg per una macchina da 5kW e i valori di 50-60 litri e 70-80 kg per una macchina da 100kW [15].
L’alta efficienza non deve andare inoltre a discapito della perdita di pressione poichè una riduzione di tale perdita dell’1% porta ad un incremento di rendimento della turbina dello 0.33% [23]. Per questo motivo la perdita di pressione totale deve essere contenuta al disotto del 4-5 %.
Le gravose condizioni di funzionamento di un rigeneratore, caratterizzate dall’alta pressione dell’aria e dall’alta temperatura di ingresso dei gas, valutabile per una turbina dell’attuale generazione attorno ai 650°C, e soggetto ad elevati e ripetuti stress termici durante le operazioni di avviamento e di fermata, rendono inoltre cruciale la scelta del materiale con cui realizzare le superfici di scambio [21], [16], [23].
Le soluzioni tecniche da considerare devono inoltre essere compatibili con l’esigenza di contenere il costo del rigeneratore al di sotto del 25-30% del costo della microturbina, essendo quest’ultimo il valore standard riportato nella letteratura tecnico-scientifica più recente [15].
L’applicazione proposta si inserisce quindi in un settore di ricerca di attualità, oggi perseguito quasi totalmente all’estero. Ulteriore motivo di interesse risiede nel fatto che gli scambiatori di calore rigenerativi saranno inoltre componenti di primaria importanza negli impianti basati sull’accoppiamento di microturbine a gas con celle a combustibile per generazione distribuita, con rendimenti elettrici del 60% [14]. <<<