THE PROJECT HEAT

HEAT investigates the potential of surface nano‐coatings on the heat transfer of heat exchangers surfaces, in order to improve the overall efficiency, in terms of pressure drop and heat power. Applied nanotechnology is indeed one of the most promising tool to get high-performance and innovative surface coating to accomplish this task. In particular the coating development will be focused on surface treatments to impart the superhydrophobic property, because of the many corollary properties induced by it, e.g. drag and friction reduction, anti-biofouling, corrosion Inhibition, self-cleaning, anti-soiling, dropwise condensation, etc. In this project the principal technological fallout of the developed surface coating will be the reduction of cross flow pressure drop in a prototyped heat exchanger especially designed for the engines of earth- moving machines; through classical fluido-dynamics additional studies, the efficiency of such a device will be furthermore increased by a specifically developed conveyor cooling fan. A process of optimization of heat transfer performances is needed to provide smart and ecological solutions and to design smaller, lighter, but at the same time more efficient heat-exchangers than the current ones. From the physical point of view, the greatest potential for the reduction of cross flow pressure might be seen in the laminar flow control. An increase of the so called flow-laminarisation should also improve the heat transfer performances. During the course of the project, heat transfer thermal analysis will be carried out with a custom instrumentation, though test assessments of the surface coating performances will be accomplished even in term of durability.

HEAT GOALS

Compact exchangers are widely used in heavy-duty applications and they play a key role in the temperature control engine with reduced pollution emissions. The improvement, albeit marginal, in overall efficiency may significantly impact the global efficiency of the machine. The project aims to optimize the efficiency of an heat exchanger with internal parts functionalized with superhydrophobic/oleophobic coating, so to reduce cross flow pressure drop, while through fluido- dynamics studies, the efficiency of such a device will be furthermore increased by a specifically designed conveyor cooling fan. This approach has the potential to become a game changer in the engineering optimization process, because currently the heat exchanger optimization is pursued only modifying fins geometries. This is the reason why, this project represents a drastic technological leap in industrial components design. The goals of the project could be summarized as follow: 1. To clearly show the feasibility of industrial processes and the adaptability of coating deposition techniques to crossflow heat exchangers. Project target for the wettability properties of the material to be designed: water contact angle > 150°, contact angle with non-polar nonpolar chemical substances (oils) >120°; surface energy < 5mN/m in both cases. 2. Proof of feasibility of the industrial process proposed: evaluation of production parameters in order to develop a pilot line. 3. Performance evaluation : measurement of friction loss in the presence of coating and measure of increment of heat exchange efficiency (thanks to fluid dynamics optimization) by bench test on complete exchangers. Project target: 10-15% reduction in friction loss, 5-10% increase in thermal efficiency. 4. Evaluation of mechanical properties and durability of coatings: mechanical tests on flat coated samples selected as reference ( adhesion tests, coating fragility, durability) and endurance tests on coated heat exchangers. Project target: 5000 hours at least without performance degradation.

PROJECT DELIVERABLES

The main deliverable of the project is the proof of feasibility of a technology able to realize an heat exchanger with the internal parts functionalized with superhydrophobic/oleophobic coating. The principal fallout of such a novel heat exchanger will be the reduction of cross flow pressure drop. Through fluido- dynamics studies, the efficiency of such a device will be furthermore increased by a specifically designed conveyor cooling fan. As a proof of concept, an heat exchanger prototype will be realized taking into account the typical dimensions of the heat exchangers ordinarily used in agricultural and earth-moving machines. The behavior of the prototype developed will be studied in normal conditions – even in terms of durability – by means of simulating a different combination of parameters (temperatures and flow rates). The technical-scientific outcomes of the project – both products and processes – will be the objects of technology transfer to companies. More specifically, such outcomes might be:  The use of innovative materials and technologies on a nanometric scale to increase the heat exchangers performance (both the heat transfer coefficient and the efficiency) compared to same device currently in use. Main advantages for the participating companies: i) specific knowledge regarding the handling of materials at the nanoscale and their innovative effects; ii) scale-up skills of the novel nanotechnology developed; iii) technology transfer to integrate the acquired knowledge into their industrial layouts. This will allow the industrial partners to develop additional know-how to implement cutting-edge technologies with respect to the current state of scientific and technological art. During the course of the project the companies will be called to actively join the updating meetings, so to be always advised of both the results obtained and the issues arisen. There will be a plan of visiting the industrial partners’ sites with constant frequency by the research scientists involved in the project. All this will produce a profitable synergy to assess in the due course all the industrial issues linked to the technology transfer, so to work out the most appropriate solutions.  The optimization of an automated spray-coating process to minimize the material consumption and to facilitate technology transfer to mass production process. At the same the functionalization by emptying on which the research group is currently working and which would lead to the possibility of carrying out depositions on the already assembled exchanger, whatever its size and the geometry of the internal parts, will not be omitted. In addition to be easily transferred in production cycles, this method shows the non-negligible advantage of using the exact volume of liquid necessary to fill the heat exchanger.  The use of Computational Fluid Dynamics (CFD packages) to optimize the heat exchanger Fluido- dynamics behavior is a must in the current technological state of the art. Industrial partners will profit of the acquired competences in using modelling software as a key research and development tool to increase fan and conveyor efficiency. To get the hang of such computational packages, the companies and its technical personnel will be called to actively join workshop meetings. Computational Fluid Dynamics is the branch of CAE that simulates fluid motion and heat transfer using numerical approaches. Acquiring know-how in such a novel field might be profitably used in the development work to analyze, optimize and verify the performance of designs before costly prototypes and physical tests. To achieve a production process of functionalized heat exchangers with an optimized fluid dynamics behavior, the companies might be willing to evaluate the conversion of part of their current industrial process towards production units able to impart superhydrophobic/oleophobic properties to the internal parts of exchangers and technologies. The modification the production site size and the possible acquisition of new machinery, as well as technical personnel training, must be carefully evaluated by the partner companies. The use of computational fluid dynamics modeling, on the other hand, does not require such a big investment, apart from a cost assessment related to the production of new fans and the new optimized conveyors.

Progetto POR-FESR 2014-2020, ASSE 1 Ricerca e Innovazione. Azione 1.2.2

PROGETTO

Heat mira a sviluppare materiali, ricoprimenti e trattamenti superficiali ad elevate prestazioni superidrofobiche e oleofobiche (elevata repellenza nei confronti di acqua/oli e lubrificanti), con vastissime potenziali applicazioni in ambito industriale.
Nel progetto viene sviluppato lo use case applicativo dell’impiego di questi rivestimenti per incrementare l’efficienza degli scambiatori di calore nei motori di macchine industriali.
L’obiettivo è la riduzione dello strato in moto laminare, limitare le perdite di carico di attraversamento e incrementare il coefficiente di scambio termico.
Il progetto si propone la verifica delle prestazioni dei rivestimenti in ambiente strutturato con specifici test di durabilità, incrementando l’efficienza con una consistente riduzione delle dimensioni, per fornire soluzioni evolute anche in chiave ecologica.

OBIETTIVI

Scambiatori compatti sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni heavy-duty e giocano un ruolo fondamentale nel controllo delle temperature dei motori a ridotte emissioni inquinanti. Un incremento, anche marginale, dell’efficienza degli scambiatori impatterebbe significativamente sull’efficienza globale del veicolo.
Il progetto mira ad incrementare l’efficienza degli scambiatori di calore sia mediante l’impiego di rivestimenti superidrofobici/oleofobici - in grado di ridurre lo strato in moto laminare e, quindi, limitare le perdite di carico di attraversamento e incrementare il coefficiente di scambio termico - sia mediante un’accurata ottimizzazione fluidodinamica dei componenti accessori (ventole e convogliatori) con miglioramento dello scambio termico globale. Ad oggi, l’ottimizzazione degli scambiatori viene perseguita solo mediante ottimizzazione geometrica delle alettature. Il progetto, dunque, si propone di scardinare questo principio con un drastico salto tecnologico nella produzione industriale di questi componenti.
Gli obiettivi chiave del progetto possono essere così schematizzati:
1. Dimostrazione della applicabilità della tecnologia di deposizione di rivestimenti uperidrofobici/oleofobici sulle superfici delle alettature di scambiatori di calore: Target di progetto: angolo di contatto >150° nei confronti dell’acqua e >120° nei confronti dell’olio; energia superficiale < 5mN/m in entrambi i casi.
2. Fattibilità del processo industriale: valutazione dei parametri produttivi al fine di poter sviluppare una linea pilota.
3. Valutazione delle performance: misura, mediante prove a banco su scambiatori completi, della riduzione di perdita di carico riconducibile alla presenza del rivestimento e dell’incremento di efficienza di scambio termico (grazie all’ottimizzazione fluidodinamica). Target di progetto: 10-15% di riduzione di perdita di carico, 5-10% incremento dell’efficienza termica.
4. Valutazione delle proprietà meccaniche e di durata dei rivestimenti: esecuzione di prove meccaniche su campioni piani con rivestimento selezionati come riferimento (prove di adesione, fragilità del rivestimento, durata nel tempo) e prove di endurance su scambiatori di calore rivestiti. Target di progetto: almeno 5000 ore senza decadimento delle prestazioni.

OUTPUT DEL PROGETTO

Il principale output del progetto sarà la realizzazione di scambiatori di calore con parti interne funzionalizzate con rivestimenti superidrofobici/oleofobici in grado di ridurre la perdita di carico di attraversamento, con accoppiata ottimizzazione fluidodinamica della ventola e del convogliatore in modo da massimizzarne l’efficienza.
I prototipi saranno realizzati tenendo conto delle dimensioni tipiche degli scambiatori di calore impiegati nelle macchine agricole e movimento terra, il cui comportamento – anche in termini di tenuta (durabilità) delle prestazioni - verrà studiato nelle normali condizioni di utilizzo simulando temperature e portate differenti.

Le soluzioni tecnico-scientifiche, derivanti dal progetto e saranno oggetto di trasferimento alle imprese, sono diverse e riguardano sia i prodotti che i processi. Nello specifico, sono riconducibili a:
• Utilizzo di materiali e tecnologie innovative su scala nanometrica per incrementare le prestazioni (aumento del coefficiente di scambio termico e dell’efficienza) degli scambiatori di calore rispetto a quelle possedute dagli scambiatori attualmente in uso. Principali vantaggi connessi per le imprese compartecipanti: le imprese acquisiranno conoscenze specifiche sull’impiego e sulle ricadute innovative di materiali di dimensioni nanometriche, con sviluppo di competenze sullo scale up delle tecnologie a essi connesse in modo che possano essere integrate nei layout industriali. Questo consentirà alle imprese compartecipanti di sviluppare know-how e detenere tecnologie all’avanguardia rispetto all’attuale stato dell’arte scientifico e tecnologico. Durante lo svolgimento del progetto le imprese saranno chiamate a partecipare attivamente ai meeting di aggiornamento, in modo da essere sempre al corrente sui risultati ottenuti e sulle criticità che emergeranno. Esse saranno anche sede di visite con frequenza costante da parte del personale scientifico coinvolto nel progetto. In tal modo, saranno create le sinergie giuste per valutare nei tempi e con le soluzioni più opportune le problematiche industriali legate al trasferimento tecnologico, in modo che siano sempre centrali rispetto all’evoluzione del progetto.
• Messa a punto dei processi di rivestimento per immersione o per spruzzatura automatizzata, non tralasciando il processo di svuotamento su cui il gruppo di ricerca sta attualmente lavorando e che porterebbe alla possibilità di eseguire deposizioni sullo scambiatore già assemblato, qualunque siano le sue dimensioni e la geometria delle parti interne. Il processo di svuotamento si configura come un processo estremamente semplice e di elevata trasferibilità industriale, che necessità comunque della messa a punta delle condizioni operative.
• Impiego di sistemi di modellazione fluidodinamica computazionale. Principali vantaggi connessi per le imprese compartecipanti: le imprese acquisiranno competenze sull’impiego della fluidodinamica computazionale come strumento fondamentale per il miglioramento dell’efficienza delle ventole e dei convogliatori impiegati negli scambiatori di calore, a rafforzamento degli effetti promossi dalla presenza dei rivestimenti con proprietà superidrofobiche/oleofobiche. Anche in questo caso si organizzeranno dei meeting dedicati, coinvolgendo il personale tecnico, in modo che acquisisca dimestichezza con l’uso di software di fluidodinamica computazionale, valutando le ricadute - potenzialmente enormi - che tali strumenti offrono. Ciò sarà reso possibile dai contatti tra l’impresa ed esperti di fluidodinamica computazionale in grado di trasferire competenze, conoscenze e strumenti di lavoro avanzati.

Per giungere alla definitiva industrializzazione degli scambiatori di calore funzionalizzati e con fluidodinamica ottimizzata è necessario, da parte delle aziende, valutare la ri-conversione di parte della produzione attuale verso la nuova produzione che prevede l’utilizzo di rivestimenti superidrofobici/oleofobici per le parti interne degli scambiatori e delle tecnologie per la loro applicazione. L’organizzazione del sito produttivo e l’eventuale acquisizione di nuovi macchinari e/o di spazi da dedicare alla produzione, nonché la formazione di personale tecnico dedicato, dovrà essere attentamente valutato dal partner aziendale. L’impiego di modellazione fluidodinamica computazionale, al contrario, non richiede step addizionali di industrializzazione, se non una valutazione dei costi legati alla produzione, presumibilmente mediante iniezione e stampaggio, delle nuove ventole e dei nuovi convogliatori ottimizzati.

SOGGETTI PROMOTORI

IMPRESE COINVOLTE

Progetto POR-FESR 2014-2020, ASSE 1 Ricerca e Innovazione. Azione 1.2.2