Heat transfer coefficient and pressure drop in convective boiling and condensation of R1234ze inside horizontal microfin tubes

Since a recent European regulation will limit the use of common refrigerants used in Heating, Ventilation and Air Conditionig plants, it is extremely important to analyze and select new refrigerants in order to substitute the older, mantain or improve their performances and have a lesser impact on the environment. A focal point of this regulation regards the Global Warming Potential (GWP) and the atmospheric life of the fluids, setting thresholds that have to be respected. One of the most widely used refrigerant is R134a, which will be dismissed in the next years and the new fluids that could replace it are hydro fluoro olefins (HFO) R1234ze and R1234yf. These two present a very low GWP and a shorter atmospheric life with respect to R134a. The present thesis consists in a series of experiments aimed to analyze the heat transfer performances of a counter flow heat exchanger running R1234ze and to report the obtained results. The experiments have been performed in the two-phase thermo-fluid-dynamic laboratory of the Energy Department of Politecnico di Milano. Experiments were performed both in convective condensation and evaporation of R1234ze in a microfin copper tube, named J60, in order to measure the heat transfer coefficient and the pressure drop. The refrigerants exchange thermal power with demineralized water flowing in the opposite direction. To characterize the experiments, four parameters need to be fixed: saturation temperature (5°C for evaporation, 35°C for condensation), mean quality, quality variation in the test section and mass flux. Pressure drop are measured directly by mean of a differential pressure transducer at the inlet and the outlet of the test section, while the heat transfer coefficient has to be measured indirectly. The quantities needed to find the heat transfer coefficient are: the power exchanged with the demineralized water (obtained measuring water mass flow rate and water temperature difference across the test section), the heat exchange surface and the logarithmic mean temperature difference (computed with the inlet and outlet R1234ze temperatures and the wall temperature of the microfin tube). Data analysis showed that R1234ze flowing in microfin tube has an higher heat transfer coefficient with respect to the value of a smooth tube in the same operating conditions, but also higher pressure drop. The overall performances are good for mean quality higher than 0.6: in proximity of this point the ratio between pressure drop in microfin tube and in smooth tube tend to be slightly higher than 1, resulting in an optimal compromise between enhanced heat transfer and slightly increased pressure drop. Furthermore, a comparison between experimental data and correlations developed by various authors has been performed, to evaluate the capability of these correlation in predicting correctly experimental results and, then, to quantify the deviations between actual data and predicted values. The comparison showed that a large number of correlations couldn't correctly predict the performance of R1234ze, since they have been developed for other refrigerants or fluid. On the other hand some correlations could predict the heat transfer coefficient or the pressure drop in circumscribed operating conditions (i.e. for high vapor quality): this result can be useful for those practical applications that operates refrigerant in well defined operating conditions.

Preso atto che un recente regolamento europeo limiterà l'utilizzo di alcuni comuni refrigeranti usati in sistemi HVAC (riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria), è di fondamentale importanza analizzare e selezionare nuovi refrigeranti in modo di sostituire i vecchi, di replicare o di migliorare le loro prestazioni e di avere un minor impatto sull'ambiente. Un punto cardine di questo regolamento riguarda il Potenziale di riscaldamento Globale (GWP) e la vita atmosferica dei fluidi esaminati, impostanto soglie che vanno rispettate. Uno dei refrigeranti più diffusi è R134a, che verrà dismesso nei prossimi anni, e i nuovi fluidi che possono rimpiazzarlo sono le idro fluoro olefine (HFO) R1234ze e R1234yf. Questi due refrigeranti presentano un GWP molto basso e una vita in atmosfera molto più corta rispetto a R134a. Questa tesi consiste in una serie di prove sperimentali volte a analizzare le prestazioni di scambio termico di uno scambiatore controcorrente in cui scorre R1234ze e a riportare i risultati ottenuti. Gli esperimenti sono stati svolti nel laboratorio di termofluidodinamica bifase del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano. Gli esperimenti sono stati condotti sia in condensazione che in evaporazione di R1234ze in un tubo di rame microalettato, denominato J60, in modo da misurare il coefficiente di scambio termico e le cadute di pressione per unità di lunghezza. Il refrigerante scambia potenza termica con acqua demineralizzata fluente in direzione opposta. Per caratterizzare gli esperimenti, quattro parametri devono essere fissati: la temperature di saturazione (5°C in evaporazione, 35°C in condensazione), titolo di vapore medio, variazione di titolo all'interno della sezione di prova e portata specifica. Le cadute di pressione sono misurate direttamente mediante l'utilizzo di un trasduttore di pressione differenziale posto all'ingresso e all'uscita della sezione di prova, mentre il coefficiente di scambio termico è misurato indirettamente. Le grandezze necessarie per trovare il valore del coefficiente di scambio termico sono: la potenza scambiata con l'acqua demineralizzata (ottenuta misurando la portata di acqua demineralizzata e la sua variazione di temperatura a cavallo della sezione di prova), la superficie di scambio termicoe la differenza di temperatura media logaritmica (calcolata mediante le temperature di ingresso e d'uscita di R1234ze e con la temperature di parete del tubo). L'analisi dei dati ha mostrato che un flusso di R1234ze che scorre in un tubo microalettato ha un coefficiente di scambio termico maggiore rispetto a quello ottenuto in un tubo liscio nelle stesse condizioni operative, ma presenta anche maggiori cadute di pressione per unità di lunghezza. Le prestazioni globali sono buone per valori di titolo medio maggiori di 0.6: in prossimità di queste condizioni operative il rapporto tra le cadute di pressione nel tubo microalettato e quelle misurate in tubo liscio è di poco superiore ad 1, risultando perciò in un ottimo compromesso tra un notevolmente migliorato scambio termico e delle cadute di pressione di poco superiori alla norma. Inoltre, si è svolto un confronto tra dati sperimentali e correlazioni sviluppate da diversi autori, in modo di valutare la capacità di queste correlazioni di predire correttamente i risultati sperimentali e di quantificare l'errore tra valori reali e previsti. Il confronto ha mostrato che un gran numero di correlazioni non ha saputo predire correttamente le prestazioni di R1234ze, poichè sono state sviluppate testando altri fluidi o refrigeranti. D'altro canto alcune correlazioni riescono a predire correttamente i valori sperimentali in circoscritte condizioni operative (per esempio ad alti valori di titolo di vapore): questo risultato può tornare utile per quelle applicazioni pratiche che utilizzano i refrigeranti in quelle determinate condizioni.