Fluid dynamics design of an innovative gas heat exchanger used in commercial oven

This work aims to study gas-combustion heat exchangers used in commercial ovens, by 3D-simulating them using RANS simulations in OpenFOAM. The cold case of room-temperature air flow through the system has been investigated, focusing on pressure drops (∆p) and discharge coefficient (Cd ) evaluation through the Internal Heat Exchange System, IHES, used in UNOX S.p.A.’s ovens, and comparing simulated data with empirical ones at many different inlet velocities. These parameters are important in determining the output power the oven can deliver. Moreover, new geometries of IHES have been designed and evaluated, in order to investigate the influence of different parameters on ∆p and Cd performance. Here, a study on heat exchange evaluation has been performed by using wall shear stress as convective heat transfer coefficient (hc ) index. Finally, considerations for a complete oven simulation have been made, with velocity and mass flow rate profiles around the heat exchangers being analyzed. External hc has been evaluated, too, finding which side of the oven is limited in heat exchange.

Questa tesi ha come obiettivo lo studio di uno scambiatore di calore a gas utilizzato nei forni commerciali, attraverso simulazioni RANS tridimensionali in OpenFOAM. È stato studiato il caso a freddo (temperatura ambiente) di un flusso di pura aria, focalizzandosi sulla valutazione di perdite di pressione (∆p) e discharge coefficient (Cd ) lungo l’Internal Heat Exchange System, IHES, utilizzato nei forni di UNOX S.p.A., andando poi a confrontare i risultati delle simulazioni con i dati sperimentali per molteplici valori di velocità in ingresso. La valutazione di questi parametri è di fondamentale importanza, in quanto determinano la potenza che il forno è in grado di erogare. Successivamente, sono state proposte e studiate nuove geometrie di IHES al fine di valutare l’influenza di vari parametri sulle performance di ∆p e Cd e di proporre soluzioni potenzialmente migliorative rispetto all’attuale. È stato, quindi, condotto uno studio sullo scambio di calore, andando a valutare il coefficiente di scambio termico convettivo utilizzando un approccio basato sulla valutazione degli sforzi di taglio a parete. Infine, è stato simulato un modello di forno completo, andando a valutare i profili di velocità e portata attorno agli scambiatori di calore. Sono state fatte anche in questo caso considerazioni sullo scambio termico alle pareti esterne degli scambiatori, andando a valutare quale lato del forno penalizza lo scambio termico.