IMMERGAS rinnova la propria gamma con l’ausilio di analisi CFD

Nel settore delle caldaie murali, di cui IMMERGAS è leader di mercato, sono presenti diverse problematiche la cui soluzione può essere agevolmente affrontata con strumenti CAE.
In modo particolare, vista la presenza di fenomeni di scambio termico, combustione e problematiche di bilancio di portate, risultano fondamentali, come primo approccio al problema, delle indagini fluidodinamiche mediante tecniche CFD (Computational Fluid Dynamics).

Figura 1 - Scambiatore di calore a 4 passaggi EOLO SUPERIOR

I risultati dei campi termici calcolati dalle analisi CFD possono essere interpolati ed importati in un software, usualmente basato sul metodo degli elementi finiti, per lo svolgimento di successive analisi termomeccaniche o termostrutturali. Ma è sempre il fenomeno fluidodinamico che determina i carichi termici ed è lì che devono iniziare le prime indagini sulle varie componenti di caldaie murali.
I codici CFD e FEM allo stato dell'arte, consentono il passaggio dei dati e delle grandezze fisiche tra i due domini (termo-fluidodinamico e strutturale), sino, in alcuni casi, alla completa integrazione. In questo studio è stato impiegato l'ambiente integrato Workbench-ANSYS-ICEM-CFX, che permette di trattare problemi con approccio multifisico, in senso pratico, come nel caso, appunto, dell'interazione fluido-struttura.

Figura 2 - Modello tubazione normalizzata sul passo dei turbolatori

Altro aspetto operativo di grande importanza - e presente nel sistema di calcolo qui utilizzato - è l'importazione dei modelli geometrici direttamente dal CAD, con la possibilità di gestire parametrizzazioni, che risultano, così, disponibili a livello di pre-processamento del calcolo. Operando in questo modo, l'analista dispone di un modello parametrico che può essere agevolmente modificato in ragione di quanto emerge dalle analisi svolte, senza dover ripartire nuovamente dal CAD.
Per applicazioni di interesse industriale risulta, infine, pressoché indispensabile disporre di calcolatori paralleli, che permettono di trattare modelli molto più onerosi, ma, corrispondentemente, più precisi per il livello di dettaglio numerico, in tempi ragionevoli. Si può affermare, al riguardo, che una struttura hardware adeguata può portare ad una riduzione dei tempi di calcolo anche di due ordini di grandezza, a fronte di un costo ragionevole.

Tornado ad IMMERGAS, i componenti di caldaie su cui possono essere svolte indagini di carattere CFD sono svariati.
Tra questi: il bruciatore ceramico, i condotti di ventilazione ed il ventilatore stesso, i condotti idraulici, il circuito dei fumi ed altri ancora.

I fenomeni che si indagano possono tenere conto di flussi reagenti per la combustione, trasporto di calore per convezione, conduzione e radiazione, turbolenze ed aumenti di HTC (Heat Transfer Coefficient), fenomeni multifase per caldaie a condensazione, fenomeni di interazione fluido-struttura per gli stress termici determinati da carchi fluidodinamici, e così via.

Figura 3 - Discretizzazione tubazione normalizzata

Nel seguito si descrive un caso applicativo, che illustra come, sinergicamente, l'utilizzo di tecnologie software adatte, e di hardware parallelo di adeguata potenza, abbia consentito ad IMMERGAS di sviluppare via CAE, con grande utilità ed evidente ritorno economico, svariati componenti delle proprie caldaie.
SVILUPPO dello SCAMBIATORE
PRIMARIO
Viene qui descritto lo studio che ha determinato la scelta della configurazione del condotto alettato dello scambiatore primario della caldaia EOLO SUPERIOR.

Lo scambiatore in questo caso era costituito da una tubazione alettata con quattro passaggi, come evidenziato in figura 1.
Ipotizzando che lo scambio termico avvenisse per tubi perfettamente lisci, si avrebbero efficienze altamente ridotte dalle quali deriverebbe una loro lunghezza eccessiva. Per ridurre le dimensioni, e, al tempo stesso, aumentare le efficienze si ricorre, solitamente, a due accorgimenti:

• disporre alettature sul lato fumi per aumentare la superficie di scambio disponibile per unità di lunghezza.
• inserire turbolatori dal lato acqua per aumentare la turbolenza a parete e quindi il coefficiente di scambio termico (HTC)

Ovviamente questi accorgimenti comportano costi aggiuntivi, e comportano dei limiti dal punto di vista di potenza dell'impianto: ad esempio un eccessivo aumento dei turbolatori porta ad un aumento delle perdite di carico, e richiede, quindi, di aumentare la potenza della pompa del circuito idraulico.

Figura 4 - Soluzione con turbolatori: campo termico sulle alette

Si tratta, quindi, di trovare un giusto compromesso. Lo si può fare, appunto, ricorrendo a modelli parametrici, in cui sia variato, da un lato, il passo e lo spessore delle alette, e siano inseriti, dall'altro, turbolatori di diverse forme e passo, mediando tra l'aumento benefico di turbolenza, e l'aumento indesiderato delle perdite di carico. I fenomeni fisici da considerare dal punto di vista CFD, sono molteplici, e la geometria complessa.

Si tratta infatti di analizzare contemporaneamente fumi ed acqua, il che richiede l'utilizzo di tecniche multidominio.
Inoltre i solidi che separano i due fluidi devono essere, nel modello, rappresentati con un numero adeguato di suddivisioni (almeno 3 nello spessore) per rappresentare correttamente il gradiente termico e tener conto della conduzione unitamente agli altri fenomeni di trasporto termico.
Si rende inoltre necessario per il lato fumi (viste le alte temperature) includere il fenomeno della radiazione.

Quanto alla discretizzazione, dal lato turbolatori la geometria complessa rende necessaria una mesh non-strutturata a tetraedri e prismi per la risoluzione dello strato limite termico a parete; mentre dal lato fumi risulta logico utilizzare una mesh ad esaedri. Inoltre i diversi numeri di Reynolds tra lato fumi e lato acqua richiedono infittimenti della discretizzazione a parete molto spinti ed al tempo stesso diversi. E', quindi, evidente che, per l'applicazione specifica, è indispensabile disporre di un mestatore tridimensionale evoluto e molto flessibile, che permetta, appunto, sia di gestire elementi misti che di gestire infittimenti locali molto diversi tra loro.

Figura 5 - Soluzione con turbolatori: campo termico sulla tubazione

Figura 6 - Soluzione con turbolatori: campo termico sui turbolatori

Nelle figure 2 e 3 sono illustrati il modello, e la relativa discretizzazione. Si osserva che, per ridurre la dimensione della mesh, è stato utilizzato, per i turbolatori, un passo normalizzato.

Sono state analizzate diverse soluzioni per i sistemi di alettatura per il lato fumi, mentre dal lato acqua, casi di tubazioni con turbolatori e senza turbolatori, con lamine interne e non, al fine di valutare il compromesso tra l’aumento dello scambio termico determinato dalla turbolenza e l'aumento delle perdite di carico.

È risultato che le tubazioni con lamine od addirittura senza turbolatori determinavano perdite di carico dal lato acqua molto ridotte, rendendo questa soluzione molto attraente, anche perché dal punto di vista dello scambio termico lato fumi, il decremento di prestazione era irrisorio in quanto la superficie delle alettature rimaneva sostanzialmente invariata. Risultavano invece valori di temperatura di picco sulle alette abbastanza disomogenei e peggiorativi nel caso della soluzione con meno turbolenza. In questo caso, inoltre, all'interno delle tubazioni figuravano temperature molto elevate, con rischio di ebollizione. Alle alte temperature si associa anche la potenziale formazione di calcare. I due fenomeni rendevano, quindi, necessario controllare il campo termico all'interno della tubazione d'acqua.

Le figure 4,5,6,7,8,9 illustrano i campi termici per due delle sei soluzioni studiate: la soluzione con turbolatori e con lamina.

Figura 7 - Soluzione con lamine: campo termico sulle alette

Sulla base delle considerazioni fatte in precedenza, ossia che la soluzione turbolata offre dei vantaggi dal punto di vista dello scambio termico ma dei grossi svantaggi dal punto di vista delle perdite idrauliche, mentre una soluzione poco turbolata ha un comportamento inverso, si è scelto di adottare una soluzione di media turbolenza che comunque privilegi lo scambio termico.

Questa soluzione ha mostrato d'essere quella di miglior compromesso tra efficienza dello scambio termico, riduzione e controllo dei picchi termici e conseguenti rischi di ebollizione e formazione di calcare, con una buona riduzione delle perdite di carico sul lato acqua.

Si può concludere che l'approccio scelto, su base parametrica, ha consentito di operare una scelta di compromesso molto convincente, e, così, di acquisire una maggior conoscenza del problema. Inoltre, il database virtuale generato nello sviluppo dello studio, può costituire la base per trattare la progettazione ottimale di altre caldaie.

Figura 8 - Soluzione con lamine: campo termico sulle tubazioni	Figura 9 - Soluzione con lamine: campo termico sulle lamine

Article published in the Magazine: EnginSoft Newsletter Year 3 n.3