Heat transfer coefficient and pressure drop of flow boiling in microchannels using R134a : simulation and validation with empirical correlations

Flow boiling in microchannels involves different and complex phenomena. Many challenges in terms of performance estimation, flow patterns and heat transfer mechanisms arise from the extreme physical phenomena governing such flows. Two-phase devices that utilise boiling and condensation phenomena, are used for refrigeration purposes and heat transfer due to their higher heat transfer coefficient compared to traditional single-phase solutions, and this results in better heat dissipation properties by means of the possibility of exploiting both the sensible and the latent heat. Regarding flow boiling in microchannel, a two-phase active heat transfer solution, there are many aspects to be taken into account such as capillarity effects, dry-out phenomena, boiling and condensation mechanisms. Some of these are still not properly understood and hinder the passage from research to commercial use. Among them, it is possible to point out the absence of a reliable tool to foresee the heat transfer coefficient and the pressure drop for different geometrical configurations and operating conditions. Moreover, the lack of a unanimous definition of microchannel from whose dimensions some parameters, e.g. surface roughness, start to play a non negligible role, is one of the most controversial topics among the researchers. For this purpose, the present work focuses on a multiphase Eulerian description of an R134a flow boiling inside a heated microchannel. A multiphase model in the ANSYS Fluent environment has been used, enabling the RPI boiling model and implementing liquid volume fraction effects and thin film effects. The outcomes in terms of heat transfer coefficient and pressure drop using the numerical tool were therefore compared with some correlations available in literature adapted to the specific case, in order to validate the numerical simulation. The overall work was conducted in the general framework of the preparation of a unique flow boiling experimental set-up in the Advanced Engineering Centre in the University of Brighton. Therefore the overall boundary and operating conditions for the numerical simulations were selected accordingly in order to aid in the optimisation of the proposed experimental apparatus. Mini and micro-channels fitted with special Indium Tin Oxide (ITO) heaters are going to be utilised in the proposed set-up in order to allow for flow visualisation through the heated regions of the channels. It should be mentioned that apart from the main aim of the present thesis that is the aforementioned CFD simulations and their comparison with empirical correlations from the literature, some preliminary experimental work was also conducted additionally checking the thermal homogeneity of the ITO heaters with a high-speed IR Camera.

Il flusso multifase con evaporazione (flow boiling) in microcanali racchiude fenomeni complessi e differenti. Sfide riguardanti la stima delle prestazioni, degli schemi dei flussi e dei meccanismi di scambio termico nascono dai complessi fenomeni fisici che governano questi flussi. Dispositivi bifase sono utilizzati a scopo di refrigerazione e trasferimento di calore a causa del più alto coefficiente di scambio termico rispetto a soluzioni tradizionali monofase, e quindi migliori proprietà di asportazione del calore, grazie al fatto di poter sfruttare sia il calore sensibile che quello latente. Per quanto concerne il flow boiling in microcanali, una soluzione bifase attiva di trasferimento del calore, ci sono molti aspetti da considerare quali capillarità, fenomeni di dry-out e meccanismi di ebollizione. Alcuni di questi non sono ancora stati del tutto compresi e ostacolano il passaggio dall’uso prettamente di ricerca alla diffusione in commercio. Tra questi è possibile menzionare l’assenza di strumenti affidabili per predirre il coefficiente di scambio termico e la caduta di pressione in un meccanismo di ebollizione di tale tipo. Inoltre la mancanza di una definizione unanime di microcanale, dalle cui dimensioni alcuni parametri come rugosità superificiale, iniziano a giocare un ruolo non trascurabile, è uno dei temi più controversi tra i ricercatori. Per tale scopo, il presente lavoro si focalizza sulla descrizione Euleriana di un flusso costituito da R134a che evapora in un microcanale riscaldato. É stato usato un modello multifase all’interno del software ANSYS Fluent, attivando il modello RPI per quando riguarda l’evaporazione e implementando gli effetti dovuti alla frazione di volume costituita da fase liquidi e gli effetti legati al film sottile. I risultati ottenuti attraverso la simulazione numerica in termini di coefficiente di scambio termico e perdita di carico sono stati confrontati con alcune correlazioni presenti in letteratura e adattate al caso in esame, in maniera tale da validare la simulazione numerica. L’intero lavoro è stato svolto a supporto di un apparato sperimentale per il flow boiling presente nel Advanced Engineering Centre della University of Brighton. Quindi le condizioni al contorno e di lavoro globali utilizzate nella simulazione numerica sono state selezionate in maniera tale da ottimizzare l’apparato sperimentale proposto. Mini e microcanali ricoperti dal film di riscaldatori ITO verranno utilizzati in futuro per permettere di visualizzare il fluido all’interno del canale proposto. É degno di menzione il fatto che, oltre all’obiettivo principale di questo lavoro e cioè le simulazioni CFD e il loro confronto con correlazioni empiriche, è stata svolta una parte sperimentale addizionale attraverso una telecamera a infrarossi per verificare l’uniformità termica dei riscaldatori ITO.