Ottimizzazione e Progettazione Virtuale di scambiatori di calore

La nuova procedura si basa sulla definizione di un pacchetto software gestito da modeFRONTIER, applicativo per l’ottimizzazione multi-obiettivo sviluppato da ESTECO. Tradizionalmente, gli studi di ottimizzazione in questo contesto sono spesso basati su un solo criterio di valutazione delle prestazioni (PEC – Performance Evaluation Criteria), cioè su di un singolo parametro che rappresenta il rendimento dello scambiatore di calore (in breve HE, ovvero Heat Exchanger), invece di considerare contemporaneamente obiettivi multipli [1].
Il produttore si affida solitamente a un database specifico di geometrie di alette che possono rispondere alle esigenze di progettazione per i canali dei vari fluidi. Anche se le prestazioni delle alette singole possono essere reperite in letteratura, quando si tratta di scambiatori a flusso incrociato i dati sulle prestazioni sono ancora oggi prevalentemente ottenuti da esperimenti di laboratorio e dalle misurazioni sulle applicazioni dal mondo reale. Non esiste pertanto una soluzione in grado di prevedere e ottimizzare le prestazioni di un PFHE completo, partendo dai dati di funzionamento, dalle dimensioni di massima dello scambiatore e dalla generica geometria delle alette utilizzate per i suoi canali. Il progetto proposto vuole colmare questo gap tecnologico offrendo il vantaggio dell’accesso, durante l’ottimizzazione, a una grande varietà di alternative di progetto, anche molto lontane da quanto raggiungibile attraverso la procedura standard, consentendo inoltre una maggiore versatilità, potendo essere applicato senza modifiche sostanziali al progetto di qualunque diverso tipo di HE.

La piattaforma Optimhex
La metodologia prevede  inizialmente la definizione di un workflow per la simulazione CFD automatica di un modello parametrico dell’elemento cellulare periodico dello scambiatore. Un Elemento Cellulare HE (HECE – Heat Exchanger Cellular Element) è la “cella” più piccola dello scambiatore che, ripetuta nelle direzioni x ed y di un piano, può generare l’intero HE (Fig. 1).

Dopo aver seguito un approccio disaccoppiato termo-fluidodinamico per la simulazione degli elementi HECE, è stato definito un database di HECE mediante l’esecuzione automatica di una grande serie di simulazioni 3D CFD complete (compreso l’aggiornamento automatico del modello CAD parametrico, la generazione di mesh e l’estrazione di risultati), definito e controllato tramite il workflow di modeFRONTIER (Fig. 2).

I nodi per definire i parametri di ingresso sono collegati direttamente all’interfaccia per il CAD parametrico (CATIA V5), che permette l’aggiornamento automatico della geometria, considerando i parametri come illustrato in fig. 3: altezza h, lunghezza l, passo w, rapporto del passo wr (rapporto tra il passo superiore e inferiore, per consentire una forma trapezoidale delle alette oltre a quella rettangolare), angolo di inclinazione delle alette α (rispetto alla direzione del flusso), coefficiente di offset k (sfasamento di due file consecutive di alette) e lo spessore delle alette t. Una volta aggiornato il CAD, i modelli vengono trasferiti al successivo nodo applicativo, ovvero l’interfaccia ANSYS Workbench (WB), utilizzato per le operazioni di meshatura e per l’analisi CFD (fig. 4).

Queste analisi, eseguite con condizioni al contorno periodiche (assumendo il completo sviluppo fluidodinamico e termico), sono eseguite da due nodi ANSYS Workbench separati.
Il seguente passo per la costruzione della piattaforma è la definizione di una Superficie di Risposta (meta-modello) - in grado di descrivere al meglio le prestazioni dell’HE al variare dei parametri geometrici e funzionali.
Con l’esecuzione del workflow di modeFRONTIER, è possibile valutare automaticamente una serie di configurazioni di progetto (DOE o Design of Experiments), e quindi allenare una Superficie di Risposta (RSM) in grado di interpolare automaticamente le prestazioni della cella HECE (fattore di attrito e numero di Nusselt per lo scambio termico) al variare di ogni combinazione di parametri. A causa della vasta gamma di scale geometriche in un HE - da O (0,1 mm) per le alette fino a O (1 m) per l’intero HE - un’analisi completa CFD  è impossibile o quantomeno non praticabile per i fini dell’ottimizzazione.
Pertanto, un approccio multi-scala, chiamato per comodità Metodologia Bridge (BM – Bridge Method - per brevità), deve essere utilizzato. Questo consiste in modelli low-fidelity, standard o macroscopici usati per studiare il comportamento degli  elementi cellulari liquido e aria allo HE in scala reale. Questo passo è la base per definire una correlazione adatta o un metodo funzionale per prevedere le prestazioni di un completo HE (incluso cioè nucleo, serbatoi, valvole, alloggiamento, ventilatore, ecc.) partendo dalle prestazioni della cella HECE ottenute attraverso l’analisi CFD e l’estrapolazione con i meta-modelli.
La versatilità della metodologia, grazie alla modularità della piattaforma modeFRONTIER, offre la possibilità di un grande scenario di applicazioni industriali, nelle quali vengano impiegati scambiatori di calore (per applicazioni fisse e mobili) per il raffreddamento dell’olio o di altri fluidi.
Passaggio conclusivo è il processo di ottimizzazione per ottenere il progetto dello HE ottimale per qualsiasi applicazione e secondo i requisiti richiesti. In fig. 5 è riportato il workflow definito nella piattaforma di ottimizzazione modeFRONTIER di ESTECO, che rappresenta il nucleo del progetto OptimHEX. Eseguendo questo workflow, in pochi secondi è possibile ottenere la configurazione ottimale dello HE, per le condizioni di funzionamento specificate.

Il sub-system nella parte superiore del workflow include la definizione di tutte le variabili di input per un generico problema di ottimizzazione, che sono direttamente collegate alla catena di applicazioni del flusso logico, che consiste essenzialmente in due nodi RSM (Response Surface) e un nodo MATLAB che integra il metodo Bridge descritto.
I due nodi RSM sono utilizzati per interpolare, in funzione di ogni configurazione di progettazione (combinazione variabili), le risposte di uscita, che sono fondamentalmente il coefficiente d’attrito Cf (Fanning factor) e il numero di Nusselt Nu per le celle elementari HECE dell’aria e del liquido. Le variabili di output provenienti dai nodi RSM sono collegate all’ultimo nodo applicativo del flusso di lavoro, lo script MATLAB. Dall’esecuzione di questo script è possibile estrarre le prestazioni complessive dello HE, come l’efficienza globale, il coefficiente di scambio termico globale, il flusso termico scambiato, che possono essere utilizzati per definire un obiettivo o un vincolo a seconda delle specifiche richieste dalla progettazione. Sostituendo i nodi RSM con nodi funzione (calcolatrice), che determinano le prestazioni dello HECE in base ad alcune correlazioni sperimentali disponibili, è possibile definire e implementare il problema di ottimizzazione specifico.
Questo breve scritto ha presentato in forma sintetica le attività di ricerca del Progetto Europeo OptimHEX nel campo della progettazione e ottimizzazione degli scambiatori di calore. La metodologia proposta rappresenta un’innovazione significativa, in quanto si basa su tecnologie di ottimizzazione e d’automazione, e i benefici attesi consistono nella riduzione del time to market, nella massimizzazione dell’efficienza degli scambiatori, la minimizzazione delle perdite di potenza, delle emissioni nocive, delle dimensioni e dei pesi, con un grande vantaggio sui costi e sull’impatto ambientale.

[1] B. Ameel, J. Degroote, C. T’Joen, P. De Jaeger, H. Huisseune, S. De Schampheleire, J. Vierendeels, M. De Paepe, Optimization of X-shaped louvered fin and tube heat exchangers while maintaining the physical meaning of the performance evaluation criterion, Applied Thermal Eng., vol. 58, pp. 136-145, (2013).
 

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