Ottimizzazione termoeconomica degli scambiatori di calore plate-fin

This thesis represents the final document of an Industrial PhD project, born out of a broader collaboration between VEMA industries s.r.l. and the Department of Engineering Sciences and Methods (DISMI) at UNIMORE University. The collaboration, started in 2017, has the aim of developing numerical methodologies and computational tools for the study of VEMA’s core product, i.e. plate-fin heat exchangers. Separated cross-flow heat exchangers are widely used devices for transferring thermal energy between two or more fluids and are an essential element in nearly all industrial sectors, including power generation, electronics, aerospace, automotive, petroleum, cryogenics, and chemical engineering. Plate-fin heat exchangers (PFHEs) offer high compactness and heat transfer efficiency, yielding savings in both material and space. For these devices, it has been widely demonstrated that the secondary heat exchange surfaces (commonly referred to as "fins") significantly influence their performance. The European market for plate-fin heat exchangers has reached a high level of competition amongst various manufacturers and the market today only accepts sales prices that are based on manufacturing costs as applicable in Asia. For these reasons, design and production costs are central to any commercial negotiation. Yet few validated models in the literature rigorously analyze production costs, which are often treated as proprietary know-how. In this frame, an accurate computational model for the thermal-hydraulic characterization of platefin heat exchangers was developed and validated, with the aim of creating a virtual infrastructure for design and verification purposes (Virtual Wind Tunnel Model, VWTM), in order to reduce testing and prototyping costs. The VWTM was then complemented with a calculation model capable of predicting with notable accuracy the total production cost of a plate-fin heat exchanger, as the sum of the material, time and energy costs, as functions of design requirements and geometric parameters. After validating the calculation tool with experimental data provided by the company, a multiobjective optimization was implemented to determine the parameters which optimize heat exchange, pressure drop, and production costs for a given design configuration. Since classical analytical methods are often limited for such problems, a stochastic optimization method using genetic algorithms was employed. The optimization results are of extreme interest both from a scientific point of view for understanding the influence of the design parameters on the performance of the exchanger, and from an industrial point of view for the reduction of production and sales costs, thus representing a competitive advantage for the manufacturing company in the marketing phase of these components.

Il presente lavoro di Dottorato Industriale si inserisce a corredo della più ampia collaborazione tra l’azienda VEMA industries Srl e il Dipartimento di Scienze e Metodi dell'Ingegneria (DISMI) dell’università UNIMORE. Nel corso della collaborazione VEMA-DISMI, è stato sviluppato e validato un codice di calcolo per la caratterizzazione termofluidodinamica degli scambiatori di calore plate-fin con l’obiettivo di creare una ‘galleria del vento virtuale’ (VWTM) che ha consentito la riduzione dei costi di testing e prototipazione. Gli scambiatori di calore a flussi incrociati separati sono dispositivi ampiamente utilizzati per trasferire energia termica tra due o più fluidi e rappresentano un elemento essenziale in quasi tutti gli impianti industriali, tra cui l'ingegneria energetica, elettronica, aerospaziale, automobilistica, petrolifera, criogenica e chimica. Gli scambiatori di calore plate-fin (PFHE) sono noti per l’elevata compattezza e l'efficienza di trasferimento del calore che contribuisce a risparmiare materiale e ingombri. Per tali dispositivi è stato ampiamente dimostrato che le superfici secondarie di scambio termico (comunemente indicate come ‘alette’) ne influenzano in maniera determinante le prestazioni. Il mercato europeo degli scambiatori di calore plate-fin ha raggiunto un elevato livello di concorrenza tra i vari produttori e oggi il mercato accetta solo prezzi di vendita basati sui costi di produzione tipici della manifattura dei paesi asiatici. Per questi motivi, i costi di progettazione e produzione rappresentano l’elemento chiave per qualsiasi trattativa commerciale. VI sono ad oggi pochi modelli convalidati in letteratura ove il costo di produzione è stato analizzato e studiato in maniera rigorosa. Nella maggior parte dei casi, infatti, la costificazione rappresenta una conoscenza protetta da segreto industriale. In questo lavoro, lo strumento di calcolo (VWTM) è stato completato con un codice in grado di calcolare con esattezza i costi di produzione di uno scambiatore plate-fin. Il costo di produzione è stato calcolato come somma del costo materiali, costo tempi di produzione e costi energetici. Dopo aver validato lo strumento di calcolo con i dati sperimentali messi a disposizione dall’azienda si è proceduto all’implementazione di una ottimizzazione multiobiettivo con lo scopo di determinare i valori ottimali di scambio termico, perdite di carico e costi di produzione per una determinata configurazione di progetto. Come è noto, per la risoluzione dei problemi di ottimizzazione multiobiettivo, gli strumenti dell’analisi matematica classica non sono sufficienti, per questo motivo è stato implementato un metodo stocastico di ottimizzazione che prevede l’utilizzo di algoritmi genetici. I risultati dell’ottimizzazione risultano di estremo interesse sia da un punto di vista scientifico per la comprensione dell’influenza dei parametri di progetto sulle prestazioni dello scambiatore sia da un punto di vista industriale per la riduzione dei costi di produzione e di vendita rappresentando quindi un vantaggio competitivo per l’azienda produttrice in fase di commercializzazione di tali componenti.