Development of an experimental facility for measurement of frost growth on finned tube heat exchangers

The work presented in this thesis focuses on the design, construction and calibration of an experimental set up for measuring the ice growth on finned tube evaporators in frosting conditions. The objective is to measure frost mass growth, air and brine flow properties in a continuous way. These measurements can be later used as dataset to develop a frost growth model. The set up has been specifically designed to be placed in a climatic chamber and use an evaporator with a nominal power of 3.3 kW. CFD simulations have been used during the construction both to evaluate the effectiveness of different possible solutions to the problems encountered during the construction and to optimize the design of some components. Corrective correlations have been developed to properly evaluate the air flow rate passing thought the and the accumulated amount of ice, reducing the final error on the latter parameter to less than 2\%. The air side enthalpy balance shows consistent errors compared to the brine side, used as a reference since it is considerably more precise, this is due to the number and positioning of the relative humidity and temperature sensors that do not allow to correctly measure the average flow properties downstream of the evaporator. As for future developments, in addition to a greater number and better positioning of the relative humidity and temperature sensors, it will be possible to implement an automatic control of the two fans of the system, in order to automatically simulate any fan operating curve.

Il lavoro presentato in questa tesi riguarda il design, costruzione e calibrazione di un set up sperimentale per la misura dell'accrescimento del ghiaccio su evaporatori a tubi alettati in condizioni di brinamento. L’obiettivo è la misura dinamica del peso del ghiaccio accumulato in aggiunta alle proprietà del flusso di aria e di brine, dati che potranno poi essere utilizzati come dataset per lo sviluppo di un modello di brinamento. Il set up è stato specificatamente progettato per essere utilizzato in una camera climatica ed impiegare un evaporatore avente potenza nominale pari a 3.3 kW. Simulazioni CFD sono state utilizzate durante la costruzione sia per valutare l’efficacia di differenti soluzioni possibili ai problemi incontrati durante la realizzazione che per ottimizzare il design di alcuni componenti. Correlazioni correttive sono state sviluppate per valutare correttamente portata di aria all’evaporatore e quantità di ghiaccio accumulata riuscendo a ridurre l’errore finale su quest’ultimo parametro a meno dello 2\%. Il bilancio entalpico effettuato sul flusso di aria evidenzia consistenti errori rispetto al bilancio effettuato sul flusso di brine, usato come riferimento poiché notevolmente più preciso, questo è dovuto al numero e posizionamento dei sensori di umidità relativa e di temperatura che non permettono una corretta misura delle proprietà medie del flusso a valle dell’evaporatore. Per quanto concerne gli sviluppi futuri, oltre ad un maggior numero e miglior posizionamento dei sensori di umidità relativa e temperatura, sarà possibile implementare un controllo automatico dei due ventilatori del sistema, in modo da poter simulare automaticamente qualsiasi curva di funzionamento di un ventilatore.