ANALISI DELLE PRESTAZIONI DI UNO SCAMBIATORE DI CALORE PER APPLICAZIONI CRIOGENICHE PRODUCIBILE MEDIANTE ADDITIVE MANUFACTURING

Il presente lavoro affronta, mediante simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD), lo studio dello scambio termico convettivo all'interno di uno scambiatore di calore innovativo, realizzato mediante additive manufacturing. In particolare, si analizza l'evoluzione di un fluido refrigerante in moto turbolento tra le pareti del condotto che lo contiene, con l'obiettivo di quantificare l'influenza sulla quantità di calore trasferibile, della geometria della sezione trasversale e della rugosità superficiale delle pareti interne. Il tema è di interesse per la progettazione di scambiatori di calore destinati ad applicazioni a bassa temperatura e, in prospettiva, criogeniche, nelle quali il controllo del flusso termico a parete costituisce un fattore critico. La tecnica realizzativa dell'additive manufacturing metallico consente di realizzare geometrie complesse. Tuttavia, l'irregolarità delle superfici ottenibili tramite tale tecnica può alterare in modo sostanziale lo strato limite e, di conseguenza, il flusso termico scambiato. Pertanto, lo studio della rugosità superficiale diventa significativamente rilevante per ottenere simulazioni rappresentative dei condotti realizzati mediante additive manufacturing metallico. Le simulazioni sono state condotte mediante il codice di calcolo OpenFOAM v13, adottando il metodo ai volumi finiti e l'approccio RANS, sul refrigerante R452A in fase di vapore. Sono state esaminate due geometrie rappresentative, un condotto a sezione circolare di piccolo diametro e uno a sezione semicircolare di grande diametro, con pareti mantenute a temperature differenti, e due modelli di turbolenza, k-ε standard e k-ω SST. L'attività ha compreso la validazione del solver per confronto con risultati di letteratura (scarto sulla temperatura di uscita entro lo 0,6%) e un'analisi parametrica sulla rugosità. I risultati mostrano che il flusso termico scambiato cresce in misura marcata all'aumentare della rugosità (fino a circa 5,4 volte nel condotto semicircolare) a fronte di un sensibile aumento delle perdite di carico, evidenziando il compromesso tra intensificazione dello scambio termico e costo energetico. L'analisi dello strato limite conferma che il gradiente termico resta confinato in prossimità della parete, regione in cui la rugosità agisce intensificando il trasporto convettivo. La metodologia sviluppata e validata si presta al trasferimento allo studio di scambiatori per fini criogenici realizzati mediante additive manufacturing.