Finite element analysis of heat transfer in double U-tube borehole heat exchangers

La presente Tesi di Dottorato tratta dell’analisi agli elementi finite dei processi di trasmissione del calore in scambiatori verticali con il terreno detti “Borehole Heat Exchangers”, BHEs, con riferimento a BHEs a doppio tubo a U. Nella valutazione di Test di Risposta Termica (TRTs), per il progetto di campi di BHEs, e nella simulazione dinamica di pompe di calore accoppiate al terreno (Ground-Coupled Heat Pumps, GCHPs), la temperatura media Tm del fluido operatore in un BHE è abitualmente approssimata dalla media aritmetica della temperatura in ingresso e di quella in uscita del fluido. Nei TRT, questa approssimazione causa una sovrastima della resistenza termica dello scambiatore. Nella simulazione dinamica delle GCHPs, questa approssimazione introduce un errore nel calcolo della temperatura in uscita dallo scambiatore di calore. In questa Tesi, la distribuzione di temperatura del fluido nello scambiatore viene studiata mediante accurate simulazioni 3D agli elementi finiti, quindi vengono proposte semplici correlazioni adimensionali che consentono di determinare la temperatura media Tm del fluido in qualsiasi condizione operativa, date le temperature in entrata e in uscita e la portata in volume del fluido e la conducibilità termica della malta sigillante. Vengono inoltre analizzati gli effetti della distribuzione di temperatura superficiale dello scambiatore sulla resistenza termica dello stesso. Si mostra che la resistenza termica 2D di una sezione trasversale non è influenzata dalla differenza della temperatura di bulk fra coppie di tubi, ma è influenzata dalla conducibilità termica del terreno circostante se l’interasse fra i tubi è elevato. Si mostra anche che, se vengono considerati i veri valori della temperatura media di bulk del fluido e della temperatura alla superficie esterna dello scambiatore, la resistenza termica 3D dello scambiatore coincide con quella 2D di una sezione trasversale, a condizione che questa possa essere considerata invariante lungo lo scambiatore.