Studio sperimentale e numerico di un banco test per uno scambiatore di calore a tubi e mantello
Creators: name: Di Nino, Giacomo
Publisher: name: Scuola Universitaria della Svizzera Italiana (SUPSI)
Year: 2021

description: Il banco prova sperimentale presente nel laboratorio TFD Supsi, è composto da uno scambiatore a tubi e mantello, il quale è collegato all’unità di servizio tramite delle tubazioni nelle quali scorre del fluido. All’interno di questi tubi scorrono due diversi flussi, a seconda di quale sezione di tubo si vada a considerare. Questi due flussi sono: uno di acqua calda e uno di acqua fredda. La portata di acqua calda è processata da una pompa centrifuga la quale presenta un range variabile da 0 a 9 l/min, quella di acqua fredda da una valvola che ha un range ridotto ad un massimo di 4.5 l /min, la quale è preceduta da un filtro regolatore di pressione. L’acqua calda che si muove all’interno del circuito, viene riscaldata in un recipiente grazie alla presenza di una resistenza, mentre l’acqua fredda è pescata dalla rete idrica. L’unità di servizio richiede un personal computer fornito dall'utente per l'interfaccia operatore. Il sistema è controllato da un software, all’interno del quale possono essere inseriti delle grandezze specifiche di temperatura e di portata volumica in input, andando ad ottenere determinati output quali temperature in uscita e calore scambiato. Questo avviene grazie alla presenza di quattro termocoppie che ricavano i valori di temperatura in entrata e in uscita dallo scambiatore, per entrambi i lati caldo e freddo, e due flussimetri che indicano i valori di portata volumetrica dei due flussi. Il seguente progetto mira a sviluppare un modello analitico del componente scambiatore e dell’intero circuito del banco prova tramite l’utilizzo di Matlab o Simscape, al fine di avere uno strumento in grado di prevedere il funzionamento del banco scambiatore e quindi le prestazioni attese. Nello sviluppo del modello ci si è chiesti quali fossero le formule ed equazioni più adatte per descrivere l’intero dispositivo, e quali prove sperimentali si sarebbero dovute effettuare per poter validare il futuro modello analitico descrittivo. Per quanto riguarda le formule più opportune per descrivere lo scambiatore, si è optato nella scelta del metodo ε-NTU, un metodo che prevede di ricavare le temperature in uscita e il calore scambiato, partendo da dati in input come temperature in ingresso e portate processate, proprio come i dati disponibili nel dispositivo analizzato. Per il circuito ci si è soffermati sulle perdite di carico presenti nei tubi che trasportano i flussi di acqua calda e fredda e sulle loro perdite termiche. Si è andati inoltre ad analizzare la pompa presente ricavando dei valori che la potessero descrivere in modo completo. Infine si è fatta una breve analisi del transitorio delle grandezze che variano nel tempo, non essendo stazionarie. Per quanto riguarda le prove sperimentali, si è optato per una raccolta dati delle diverse temperature ottenute in output, una volta conosciuti gli input da noi inseriti, in modo da poter confrontare infine questi valori ottenuti, con il modello analitico del banco prova realizzato. La fase della stesura del modello, è stata suddivisa in due fasi. Inizialmente sono state formulate le corrette equazioni su carta; una volta completate sono state inserite nel software Matlab come richiesto, sviluppando numerosi script che potessero descrivere in modo univoco il funzionamento del banco prova e descrivessero anche graficamente i risultati ottenuti, confrontandoli con quelli ricavati dalla campagna sperimentale.