Performance comparison of different microfine tubes during flow boiling of azeotropic refrigerants

The purpose of this thesis is to get familiar with the two-phase flow theory, heat transfer coefficient and frictional pressure drop per unit length in the process of flow boiling in horizontal tubes by using the experimental data which is obtained in the labs of the Energy Department of Politecnico di Milano. It also focuses on the behavior on the microfine. In this sense, smooth tube and four different types of microfine tubes are taken into consideration. The microfine tubes are named as Tube V, Tube W, Tube VA and Tube HVA. Each have their own unique fin type and fin alignment. Nowadays, two-phase vapor-liquid flows are commonly encountered in many industrial and engineering applications such as heat exchangers, oil and gas exploitation, refrigeration and air conditioning systems, environmental control and life support systems and pipeline network systems. Therefore, the behavior of fluids in terms of heat transfer coefficient and pressure drop have a significant importance. In this respect, many correlations have been proposed throughout the history both for heat transfer coefficient and pressure drop. In the process of theoretical calculation, Kandlikar, Shah, Fang, Saitoh, Gungor & Winterton models are used for heat transfer coefficient while Muller-Steinhagen and Heck, Gronnerud, Friedel, Chen, Tran and Haraguchi methods are used for frictional pressure drop per unit length. After the frictional pressure drop per unit length is calculated, the behavior of both heat transfer coefficient and frictional pressure drop per unit length are considered as a function of mass flux and mean quality. As it can be seen later in this thesis, they provide a linear increase with increasing mass flux and mean quality. An error band of ∓ 30 % is checked for each method by using mean absolute relative deviation (MARD) and mean relative deviation (MRD). Then the results of experimental and theoretical values are compared by using parity plots for each type of tube. Process is repeated for each method mentioned above. By making this comparison, the best method for each type of microfine tube is obtained both for heat transfer coefficient and pressure drop per unit length. All of these methods are proposed by using their own set of data. In other saying, they are mostly valid for a specific data set. That is why each microfine tube has a different method that represents the best result.

Lo scopo di questa tesi è di familiarizzare con la teoria del flusso a due fasi, il coefficiente di trasferimento di calore e la caduta di pressione per attrito per unità di lunghezza nel processo di ebollizione del flusso in tubi orizzontali usando i dati sperimentali che si ottengono nei laboratori dell'Energia Dipartimento del Politecnico di Milano. Si concentra anche sul comportamento sulla microfine. In questo senso, vengono presi in considerazione il tubo liscio e quattro diversi tipi di tubo in microfine. Le provette in microfine sono denominate Tube V, Tube W, Tube VA e Tube HVA. Ognuno ha il proprio tipo di pinna e allineamento delle pinne. Al giorno d'oggi, i flussi vapore-liquido a due fasi si incontrano comunemente in molte applicazioni industriali e ingegneristiche come scambiatori di calore, sfruttamento di petrolio e gas, sistemi di refrigerazione e condizionamento d'aria, sistemi di controllo ambientale e di supporto vitale e sistemi di rete di condotte. Pertanto, il comportamento dei fluidi in termini di coefficiente di trasferimento del calore e caduta di pressione ha un'importanza significativa. A questo proposito, nel corso della storia sono state proposte molte correlazioni sia per il coefficiente di trasferimento del calore che per la caduta di pressione. Nel processo di calcolo teorico, i modelli di Kandlikar, Shah, Fang, Saitoh, Gungor e Winterton vengono utilizzati per il coefficiente di trasferimento del calore mentre i metodi Muller-Steinhagen e Heck, Gronnerud, Friedel, Chen, Tran e Haraguchi vengono utilizzati per la perdita di carico per attrito per unità lunghezza. Dopo aver calcolato la caduta di pressione per attrito per unità di lunghezza, il comportamento del coefficiente di trasferimento del calore e della caduta di pressione per attrito per unità di lunghezza viene considerato in funzione del flusso di massa e della qualità media. Come si può vedere più avanti in questa tesi, forniscono un aumento lineare con un aumento del flusso di massa e della qualità media. Una banda di errore del ∓ 30% viene controllata per ciascun metodo utilizzando la deviazione relativa assoluta media (MARD) e la deviazione relativa media (MRD). Quindi i risultati dei valori sperimentali e teorici vengono confrontati utilizzando grafici di parità per ciascun tipo di tubo. Il processo viene ripetuto per ciascun metodo sopra menzionato. Effettuando questo confronto, si ottiene il metodo migliore per ciascun tipo di tubo in microfine sia per il coefficiente di trasferimento del calore che per la caduta di pressione per unità di lunghezza. Tutti questi metodi sono proposti utilizzando il proprio set di dati. In altri termini, sono principalmente validi per un set di dati specifico. Ecco perché ogni provetta di microfine ha un metodo diverso che rappresenta il miglior risultato.