Boiling and condensation in microfin tubes of R1234ze and R449a refrigerants

This thesis aims to examine, from an experimental point of view, the performances of refriger- ant fluids inside microfin tube during phase change processes. Nowadays two-phase vapor-liquid flows in horizontal tube are commonly found in many industrial sectors: the knowledge of the heat transfer characteristics of the two-phase equipments is thus fundamental. In designing a heat exchanger, cost savings are, almost always, one of the main targets. Hence, researches dur- ing the past decade have been involved in the evaluation of possible heat transfer enhancements. These improvements can be obtained through enhanced surface geometry which implies an in- crease in both the heat transfer coefficient and heat transfer surface area. The most extensively used configuration, also studied in this work, is represented by the microfin geometry: a heat transfer enhancement, larger than pressure drop increase, is produced with respect to the smooth configuration. As a result of the new emissions regulations, which scheduled the phase out of many pure fluids, the researches have moved towards alternative refrigerants that have less harmful effects on the ozone layer and lower GWP. Hence the considerable interest of this project that presents an ex- perimental study on boiling and condensation of both a pure fluid and a mixture, the R1234ze and R449a, respectively. The experiments were performed mainly on a copper microfin tube, 9.52 mm outer diameter, endowed with 60 fins, 0.2 mm high and 18◦ helix angle. The test section, 1.3 meters long, is a co-axial heat exchanger where the refrigerant exchanges thermal power with a counter-current flow of demineralized water. A third circuit, the glycol loop, non directly involved in measurements, is only used to set the operating conditions of several plant components. A wide range of operating conditions has been tested: the saturation temperature effects on the flow boiling performances were investigated conducting experiments for two mass flux values, 164 kg/m2s and 220 kg/m2s. Many factors, due to thermodynamic properties variations, influence the heat transfer performances as the temperature increases: an augmentation in the heat transfer coefficient and a reduction in the pressure drop per unit length were observed. The experimental database included also measurements of the heat transfer coefficient for the smooth configuration. These tests proved the benefits caused by the fins: an enhancement factor almost always higher than one was calculated. Preliminary experiments were performed with the non-azeotropic mixture: as first, the complete boiling performances were evaluated by means of high quality variation measurements, ∆x = 0.8, while tests with a fixed mass flux (110 kg/m2s - 220 kg/m2s) and lower ∆x were realized in a second moment. From these latter tests, higher mixture performances with respect to the R134a and R1234ze emerged, in terms of heat transfer coefficient and pressure drop. The last topic was related to the comparison between the experimental data and the predictions originated from several available models: for either refrigerants, in case of microfin configuration, the Rollmann-Spindler correlation seems to provide the best agreement. In the near future, further experiments will be requested in order to prove and examine in depth this favorable thermal behavior, even at different operating conditions. Furthermore, the perfor- mances of new refrigerants, characterized by lower GWP and higher heat transfer characteristics, and new microfin tube configurations could be investigated.

Lo scopo di questa tesi consiste nell’esaminare, da un punto di vista sperimentale, le prestazioni di fluidi refrigeranti all’interno di tubi micro-alettati durante processi di cambiamento di fase. Oggigiorno sono sempre più frequenti le applicazioni industriali che prevedono l’utilizzo di flussi bifase liquido-vapore: di conseguenza, la conoscenza delle prestazioni di questi componenti è fondamentale. La riduzione dei costi è quasi sempre uno dei principali obiettivi da perseguire nella progettazione di scambiatori di calore. Negli ultimi decenni le ricerche si sono concentrate proprio sulla valutazione di possibili modifiche da apportare ai processi di scambio termico. In generale, queste possono essere ottenute mediante un miglioramento della geometria delle superfici, le quali implicano un incremento del coefficiente e dell’area di scambio termico. La configurazione più utilizzata, peraltro studiata nel corso di questo progetto, è costituita delle micro-alette: un miglioramento dello scambio termico, il cui effetto sovrasta le penalizzazioni associate alle cadute di pressione, è prodotto rispetto al tubo liscio. In seguito ai nuovi regolamenti redatti in materia di emissioni, i quali stabilirono la progressiva eliminazione di molti fluidi puri, le ricerche si indirizzarono verso nuovi refrigeranti, meno dannosi per lo strato d’ozono e caratterizzati da minore GWP. Da qui il considerevole interesse verso questo lavoro il quale presenta uno studio sperimentale di fluidi puri e miscele (R1234ze e R449a rispettivamente) durante processi di condensazione ed ebollizione. Le prove condotte sono state principalmente eseguite in tubi di rame micro-alettati, 9.52 mm di diametro esterno, dotati di 60 alette, alte 0.2 mm e con avvolgimento ad elica di angolo 18°. La sezione di prova, lunga 1.3 metri, è costituita da uno scambiatore coassiale all’interno del quale il fluido refrigerante scambia potenza termica con un flusso in contro-corrente di acqua demineralizzata. L’impianto è inoltre costituito da un terzo circuito, quello del glicole, che ,pur non intervenendo direttamente nelle misurazioni, permette di impostare le condizioni operative dei diversi componenti. Un ampio intervallo di condizioni operative è stato testato: durante il fenomeno di ebollizione, gli effetti della temperatura di saturazione sono stati analizzati conducendo esperimenti con due valori di flusso di massa, 164 kg/m2s e 220 kg/m2s. Molti fattori, legati ad una variazione delle proprietà termodinamiche, influenzano le prestazioni di scambio termico al variare della temperatura di saturazione: per i dati raccolti è stato quindi identificato un aumento del coefficiente di scambio e una riduzione delle cadute di pressione per unità di lunghezza. Inoltre, sono state condotte misurazioni su tubo liscio. Queste hanno consentito di dimostrare l’effetto benefico associato all’utilizzo di alette mediante il calcolo di un fattore di miglioramento, quasi sempre caratterizzato da un valore superiore all’unità. Successivamente sono state eseguite prove preliminari con la miscela zeotropica: come prima cosa furono testate condizioni di completa evaporazione attraverso misurazioni condotte con elevata variazione di titolo, Dx=0.8, mentre furono realizzate in un secondo momento prove con un valore fisso di flusso in massa (164 kg/m2s e 220 kg/m2s) e un valore inferiore di Dx. Da queste ultime prove è emerso un migliore comportamento della miscela rispetto a fluidi puri, R134a e R1234ze, relativamente sia al coefficiente di scambio che alle cadute di pressione. L’ultimo argomento trattato nel corso di questo lavoro di tesi è stato relativo al confronto tra i dati sperimentali e le predizione originate da una serie di modelli disponibili in letteratura: per entrambi i refrigeranti, nel caso di configurazione micro-alettata, le migliori prestazioni sono state ottenute dalla correlazione di Rollmann-Spindler. In futuro, ulteriori prove saranno richieste al fine di dimostrare ed esaminare più in profondità il comportamento di questa nuova miscela, anche a diverse condizioni operative. Inoltre potranno essere esaminate le prestazioni di nuovi refrigeranti e di nuovi tubi micro-alettati.