Nel contesto della simulazione numerica dei flussi turbolenti, la metodologia DNS (Direct Numerical Simulation) è considerata la più dettagliata, ma al contempo la più costosa in termini di tempo e risorse computazionali. Per ottenere una risoluzione accurata delle piccole scale di turbolenza, come gli eddy, è necessario un reticolo estremamente fine e un intervallo temporale molto ridotto. Ciò, però, comporta un aumento esponenziale dei costi computazionali, rendendo difficile l'applicazione di questo approccio in simulazioni di grandi sistemi, come quelli tipici degli scambiatori di calore (HEX). Per questo motivo, l’approccio DNS non è sempre praticabile per la simulazione di scambiatori di calore ad alta complessità. In alternativa, il concetto di media temporale entra in gioco.

Nel flusso turbolento, le velocità locali istantanee del fluido possono essere espresse come somma della velocità media (velocità media temporale) e della velocità fluttuante istantanea intorno alla velocità media. Questo approccio di decomposizione è estendibile anche alla componente di pressione, che può essere separata nei suoi componenti media e fluttuante. L’applicazione delle regole di media di Reynolds alla velocità, alla pressione e ad altri componenti scalari porta alla formulazione dell'equazione di Navier-Stokes media di Reynolds (RANS). Questo approccio consente di modellare l’intero flusso turbolento senza risolverlo completamente, il che lo rende computazionalmente più economico rispetto al DNS. L’approccio RANS risulta quindi più utile nelle simulazioni degli scambiatori di calore, dove la velocità di calcolo è fondamentale.

Un ulteriore compromesso tra DNS e RANS è costituito dall'approccio della simulazione delle grandi turbolenze (LES, Large Eddy Simulation). In questo caso, le turbolenze su scala integrale e su scala microscopica di Taylor vengono risolte fino a una dimensione definita dell’eddy, ΔLES, mentre le turbolenze più piccole di ΔLES vengono modellate. La velocità di calcolo diminuisce in questo caso rispetto a DNS ma rimane superiore a quella delle simulazioni RANS. In sintesi, si può esprimere la performance relativa dei vari approcci come segue: RANS > LES > DNS, con RANS che è il più veloce ma meno dettagliato, e DNS che fornisce la massima accuratezza ma è il più costoso computazionalmente.

Un altro aspetto rilevante nei sistemi di scambio termico industriali è il flusso multifase, particolarmente comune negli scambiatori di calore utilizzati in impianti nucleari o termici, come i generatori di vapore, e nelle applicazioni chimiche come evaporatori, reboiler e chiller. I sistemi di flusso multifase sono vantaggiosi per l’efficienza del trasferimento di calore, la gestione delle diverse fasi di fluido e il miglioramento dell’efficienza del processo. La classificazione dei regimi di flusso nei sistemi multifase di scambio termico è fondamentale per prevedere le prestazioni termoidrauliche e la caduta di pressione. I regimi di flusso possono essere preliminarmente classificati in base alle fasi termodinamiche, come gas-gas, liquido-liquido, gas-liquido, solido-liquido-gas, e così via.

Il sistema gas-liquido è il più comune nei sistemi multifase industriali, ed esistono mappe specifiche dei regimi di flusso per tubi verticali, tubi orizzontali, tubi inclinati e scambiatori di calore a shell e tubo. La modellizzazione CFD (Computational Fluid Dynamics) dei sistemi multifase è complessa a causa della carenza di informazioni dettagliate e delle sfide nella comprensione dei fenomeni fisici coinvolti, come l’interazione tra le diverse fasi (forze di trascinamento, tensione superficiale) e i processi di cambiamento di fase (evaporazione-condensazione, modelli di ebollizione, correlazioni di trasferimento di calore interfaciale). Inoltre, le variazioni delle proprietà dei materiali e il loro impatto su ciascun parametro fisico devono essere studiati.

I modelli multifase possono essere categorizzati come flusso disperso, misto e separato, creando una matrice di regimi di flusso e topologie nei sistemi HEX. La selezione accurata del modello e lo sviluppo della metodologia CFD sono essenziali per affrontare la fisica complessa associata ai sistemi HEX multifase.

L’approccio Euleriano-Euleriano (E-E) assume che ciascuna fase fluida sia trattata come un continuo, cioè entrambe le fasi esistono simultaneamente e sono interpenetranti. In questo caso, le equazioni di conservazione della massa, della quantità di moto e dell'energia vengono risolte separatamente per ogni fase, con la capacità di catturare l’interazione fisica tra le fasi attraverso modelli di chiusura per il trasporto interfase. Questo approccio è particolarmente utile nei sistemi HEX multifase in cui la frazione di volume della fase dispersa è significativa (superiore al 10%).

Il concetto di frazione volumetrica delle fasi è importante in questo approccio e le equazioni di conservazione si basano sulla somma delle frazioni volumetriche delle diverse fasi. Le equazioni di continuità e quantità di moto vengono risolte separatamente per ciascuna fase, tenendo conto anche dei trasferimenti di massa e di momento tra le fasi.

Altri approcci utilizzati per la modellizzazione multifase includono l’approccio Euleriano-Lagrangiano (E-L), che traccia separatamente le particelle di ciascuna fase dispersa, e l’approccio Volume of Fluid (VOF), che traccia la frazione di volume di ciascuna fase lungo l’intero dominio. Ogni approccio ha i suoi vantaggi in base alla specificità del sistema studiato e alla necessità di risolvere o modellare determinati fenomeni fisici.

In sintesi, la scelta del modello e della metodologia CFD giusta dipende dalla complessità del sistema HEX e dai regimi di flusso multifase, e richiede una comprensione approfondita della fisica interfaciale e delle interazioni tra le fasi per ottenere previsioni accurate delle prestazioni termiche e idrauliche del sistema.

Come Ottimizzare il Trasferimento di Calore nei Microcanali: Metodi e Sfide

I microcanali rappresentano una delle soluzioni più avanzate e promettenti nel campo dello scambio termico, sfruttando dimensioni ridotte per ottimizzare il trasferimento di calore. Tuttavia, diversi fattori influenzano la loro efficacia e, quindi, è necessario un attento bilanciamento di parametri tecnici per ottenere il massimo rendimento. Tra questi, la geometria dei microcanali, l’uso di materiali a cambiamento di fase, e l’ottimizzazione del flusso sono solo alcuni degli aspetti da considerare.

Uno dei principali fattori da prendere in considerazione è la forma e le dimensioni dei microcanali. La scelta della forma (circolare, rettangolare, triangolare o trapezoidale) influisce direttamente sulla superficie di scambio termico e sulle caratteristiche del flusso del fluido. Ottimizzare la geometria del canale può migliorare l’interazione del fluido con le pareti, aumentando l’efficienza del trasferimento di calore convettivo. Ad esempio, i canali più piccoli aumentano il rapporto superficie-volume, favorendo uno scambio termico più efficiente, ma possono anche comportare una maggiore caduta di pressione. Questo implica la necessità di bilanciare l’efficienza del trasferimento termico con la perdita di pressione accettabile. I microcanali di dimensioni molto piccole, se da un lato offrono un tasso di trasferimento termico superiore, dall’altro aumentano la resistenza al flusso, richiedendo una maggiore potenza di pompaggio. Inoltre, canali di piccolissime dimensioni sono più suscettibili all'intasamento, soprattutto in applicazioni che coinvolgono fluidi contenenti particelle solide. La fabbricazione di canali non standard o molto piccoli aggiunge ulteriore complessità e costi alla produzione.

Un altro approccio per migliorare l’efficienza del trasferimento termico nei microcanali è l’impiego di materiali a cambiamento di fase (PCMs). Questi materiali assorbono o rilasciano grandi quantità di calore latente durante il passaggio di stato, come la fusione o la condensazione. Durante la vaporizzazione, il PCM assorbe calore dal fluido, stabilizzando la temperatura del sistema; durante la condensazione, invece, rilascia calore mentre ritorna allo stato solido. Sebbene i PCMs migliorino notevolmente la gestione termica, l’introduzione di questi materiali può complicare il design e il funzionamento del sistema di scambio termico. Inoltre, i PCMs tendono ad avere una conducibilità termica inferiore rispetto ad altri materiali, quindi spesso devono essere combinati con materiali ad alta conducibilità, come schiume metalliche o grafite espansa, per ottimizzare le performance termiche.

Un’altra tecnica per migliorare il trasferimento di calore nei microcanali è l’uso di generatori di vortici. Questi piccoli elementi strutturali, come alette o linguette, sono inseriti all’interno dei microcanali per creare turbolenze locali e vortici. I generatori di vortici interrompono il flusso fluido regolare, creando vortici che migliorano il mescolamento del fluido e riducono lo strato limite termico vicino alle pareti del canale. Questo aumenta il coefficiente di trasferimento di calore convettivo, in particolare nei regimi di flusso laminare, dove la turbolenza naturale è minima. Sebbene siano efficaci nel migliorare il trasferimento termico, l’adozione di generatori di vortici comporta anche un aumento della resistenza al flusso e della caduta di pressione, il che può richiedere una maggiore potenza di pompaggio.

L’ottimizzazione del flusso, in particolare in sistemi compatti, è cruciale per massimizzare l’efficienza dello scambio termico. Un flusso uniforme attraverso tutti i microcanali garantisce che ogni canale contribuisca equamente al trasferimento di calore, evitando che alcuni canali siano poco sfruttati. Un disegno ottimizzato delle collettori e degli ingressi permette di bilanciare il flusso tra i canali, riducendo il rischio di zone calde o di raffreddamento insufficiente. La distribuzione uniforme del flusso è difficile da ottenere in sistemi compatti e può essere particolarmente problematica in presenza di flussi variabili, che richiedono una progettazione precisa e una manifattura accurata.

Le sfide legate alla progettazione di scambiatori di calore includono anche le limitazioni materiali e di produzione. La scelta dei materiali, in particolare, ha un impatto diretto sulla capacità di trasferimento termico, sulla resistenza alle condizioni ambientali, sulla durabilità meccanica e sui costi di ciclo di vita complessivi. I materiali utilizzati devono soddisfare requisiti termici, chimici e meccanici rigorosi per consentire un trasferimento termico efficace e al contempo resistere agli stress operativi. Ad esempio, materiali come il rame e l’alluminio, noti per la loro eccellente conduttività termica, sono ampiamente utilizzati in applicazioni HVAC e refrigerazione, ma potrebbero non essere adatti in ambienti corrosivi o ad alte temperature. In tali casi, vengono preferiti acciai inossidabili, titanio o leghe a base di nichel, che pur avendo una conduttività termica inferiore, sono più resistenti alla corrosione.

La resistenza alla corrosione è un altro aspetto cruciale nella selezione dei materiali per scambiatori di calore, poiché i fluidi di lavoro possono essere corrosivi e compromettere l’efficacia del sistema nel tempo. L’acciaio inossidabile, il titanio e le leghe a base di nichel sono scelte comuni per ambienti chimici, impianti petrolchimici o ambienti marini. Questi materiali sono resistenti alla corrosione, ma a volte sono meno termicamente efficienti rispetto a materiali come il rame o l’alluminio.

Per ottenere un sistema termico ottimale, quindi, è fondamentale non solo scegliere i materiali giusti, ma anche pianificare e progettare attentamente le geometrie e le caratteristiche del flusso. Ogni aspetto, dalla scelta dei materiali alla progettazione del flusso, fino all’adozione di tecniche come l’utilizzo di microcanali, PCMs o generatori di vortici, deve essere allineato agli specifici requisiti dell’applicazione, bilanciando costi, performance e durata.

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