Experimental analysis of flow boiling heat transfer coefficient and pressure drop of R410A/nanolubricant mixture in a smooth and microfin tube

In space conditioning, vapor compression cycle provides heating and cooling. An improvement in heat exchangers performance can result in an increase in cycle efficiency and previous studies have shown that nanolubricants, i.e. oil with nanoparticles suspended in it, can improve the heat transfer with respect to refrigerant/pure-oil mixtures. The aim of this work is to study experimentally the heat transfer coefficient and pressure drop of a R410A/nanolubricant mixture during convective evaporation. This study is performed on a smooth tube and performances are compared to a R410A/pure-oil mixture. Moreover, the mixture between R410A and two different nanolubricants are studied during convective vaporization in a microfin tube. The tubes adopted have both a 9.52 mm outer diameter and a water stream produces evaporation. For the smooth tube, test conditions include mass velocity from 250 to 450 kg m-2s-1, average vapor quality from 0.3 to 0.8, heat flux at 15 kW m-2, saturation temperature of 4°C and nanolubricant concentration from 0.5% to 3%. For the microfin tube tests, mass velocity ranges from 180 to 450 kg m-2s-1, average vapor quality from 0.3 to 0.8, heat flux at 12 kW m-2, saturation temperature of 4°C and nanolubricant concentration from 1% to 3%. Experimental results show that nanolubricants produce a degradation of heat transfer at low and medium vapor qualities and enhancement is observed in very few cases for high vapor qualities. However, the entity of these effects is dependent on the mass flux. Effect of the nanolubricant on the pressure drop is not significant with respect to pure oil. In the microfin tube, it is observed that the R410A/ZnO-nanolubricant mixture always has a lower heat transfer coefficient than the R410A/Al2O3-nanolubricant mixture. The effects of the nanolubricant in the smooth tube are explained by an interaction between nanoparticles and bubble nucleation sites. Finally, thermal conductivity measurements of the nanolubricants and a comparison between experimental data and literature correlations are presented.

Nel condizionamento degli ambienti, i cicli a compressione di vapore convertono energia elettrica in energia termica. Un miglioramento nelle performance degli scambiatori di calore può risultare in un aumento delle prestazioni complessive di tali cicli e in studi precedenti si è osservato che i nanolubrificanti, cioè olio con nanoparticelle sospese, possono potenziare lo scambio termico rispetto a miscele di refrigerante/olio-puro. L’obiettivo di questo lavoro è studiare il coefficiente di scambio termico e le cadute di pressione di una miscela di R410A/nanolubrificante durante ebollizione convettiva. Lo studio sperimentale è condotto su un tubo liscio e le performance comparate ad una miscela di R410A/olio-puro. Inoltre, sono condotti dei test su un tubo micro-alettato, dove sono confrontate miscele di R410A con due diversi tipi di nanolubrificante. I tubi utilizzati hanno diametro esterno di 9.52 mm e l’evaporazione è prodotta da un flusso d’acqua. Per il tubo liscio, le condizioni di test includono flussi massici da 250 kg m-2s-1 a 450 kg m-2s-1, titoli di vapore medi tra 0.3 e 0.8, concentrazioni di nanolubrificante da 0 a 3%, flusso termico di 15 kW m-2 e una temperatura di saturazione di 4°C. Per il tubo micro-alettato, il flusso massico è variato tra i 250 kg m-2s-1 e i 450 kg m-2s-1, il titolo di vapore medio da 0.3 a 0.8, la concentrazione di nanolubrificante da 1 a 3%, la temperatura di saturazione a 4°C e il flusso termico a 12 kW m-2. I risultati sperimentali dimostrano che il nanolubrificante produce una degradazione dello scambio termico per titoli medio-bassi e, per pochi casi, un leggero miglioramento dello scambio termico a titoli maggiori di 0.7. Tuttavia l’entità di tali effetti è variabile con la portata. Gli effetti sulle perdite di carico non sono significativi. Sul tubo micro-alettato si osserva che il miscela R410A/nanolubrificante a ZnO produce sempre prestazioni peggiori rispetto alla miscela R410A/nanolubrificante a Al2O3. Gli effetti del nanolubrificante sul tubo liscio sono spiegati ipotizzando un’interazione tra le particelle e i siti di nucleazione delle bolle. Sono infine presentate misure di conduttività termica dei nanolubrificanti e un confronto tra i risultati sperimentali e alcune correlazioni dalla letteratura.