Boiling and condensation of R449A inside a micro-fins tube

This thesis has been performed as a partnership between the Department of Energy of the Politecnico di Milano and Lu-Ve S.p.A., an international company involved in the design, production and sales of heat exchangers. Its purpose is the experimental investigation of the performance of the zeotropic mixture R449A, a low GWP substitute of R404A and R507A, during boiling and condensation inside a helical micro-fins tube. The experiments have been carried out at the Single and Multiphase thermal fluid dynamics laboratory of the Department of Energy: the test section is composed by a 1.1 meters long horizontal copper tube, 9.52 mm outer diameter, endowed with 60 micro-fins, 0.2 mm high and 18° helix angle. The phase change is performed trough coaxial heat exchanger, where the refrigerant exchanges thermal power with a counter-current flow of demineralized water. Two different tests have been performed: partial phase change (Δx = 0.2, variable xm) and total phase change (Δx = 0.8, xm = 0.5); evaporation has been performed at bubble temperature equal to 5°C and operating pressure 7.16 bar, while condensation at 30°C and 14.46 bar. A wide range of mass fluxes has been studied, from 70 to 220 kg/m2s for evaporation and from 220 to 400 kg/m2s for condensation, according to the most common industrial applications. 62 experimental measurements have been conducted. The accuracy of several correlations available in literature has been evaluated: the model developed by Rollmann and Spindler has beenselected as the best performing for the prediction of boiling heat transfer coefficient, Cavallini’s model for condensation; considering both boiling and condensation pressure gradient, the model by Shannak showed the best prediction.

Questa tesi è stata realizzata come collaborazione tra il Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano e Lu-Ve S.p.A., una società internazionale che si occupa di design, produzione e vendita di scambiatori di calore. Il suo scopo è l’analisi sperimentale delle performance della miscela zeotropica R449A, sostituto a basso GWP di R404A e R507A, durante evaporazione e condensazione in tubi micro-alettati. Gli esperimenti sono stati realizzati al laboratorio di Termofluidodinamica Monofase e Multifase del Dipartimento di Energia: la sezione di prova è composta da un tubo orizzontale in rame, lungo 1.1 metri, avente un diametro esterno pari a 9.52 mm, fornito di 60 micro-alette alte 0.2 mm e aventi un angolo di elica pari a 18°. Il cambiamento di fase è realizzato mediante uno scambiatore di calore coassiale, in cui il refrigerante scambia potenza termica con un flusso controcorrente di acqua demineralizzata. Due tipi di esperimenti sono stati realizzati: cambio di fase parziale (Δx = 0.2, xm variabile) e cambio di fase totale (Δx = 0.8, xm = 0.5); l’evaporazione è stata realizzata alla temperatura di bolla di 5°C e pressione operativa 7.16 bar, la condensazione a 30°C e 14.46 bar. Seguendo le applicazioni industriali più comuni, i flussi di massa investigati sono da 70 a 220 kg/m2s per l’evaporazione e da 220 a 400 kg/m2s per la condensazione; 62 misure sperimentali sono state effettuate. Successivamente, l’accuratezza di svariate correlazioni presenti in letteratura è stata valutata: il modello sviluppato da Rollmann e Spindler è stato selezionato come miglior performante nella previsione del coefficiente di scambio termico in evaporazione, il modello di Cavallini per la condensazione; riguardo la previsione del gradiente di pressione, il modello di Shannak ha mostrato i migliori risultati sia per evaporazione che per condensazione.