Flow boiling of R449A : heat transfer performances and Wilson plot tuning

This thesis is 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. The objective of this study is to investigate the heat transfer performance of fluid R499A as refrigerant fluid during the flow boiling and Wilson plot method. The experiment is conducted at the one of the Department of Energy Laboratories namely Single and Multiphase Thermal Fluid Dynamics Laboratory. The experimental apparatus consists of an 8.92 mm outer-diameter smooth copper tube as the test section. The thermal energy source for the experiment is provided by a counter-current flow of demineralized water inside a coaxial heat exchanger. During the experiment, the phase change is performed with the quality difference is 0.8 while the mean quality is 0.5. The experiment is performed at the bubble temperature equal to 5°C and operating pressure of 7.16 bar. Moreover, the mass flux of fluid is between 70 and 220 kg/m²s. Employing several correlations in the previous studies, this study evaluates the accuracy of each correlation. This study finds that the model from Bertsch et al. provides the best prediction for the heat transfer coefficient, while the correlation proposed by Zhang and Webb is found to be the most suitable correlation for the pressure gradient. Moreover, this study also uses previous experimental data that have been conducted inside the micro-fin tube for evaluating the enhancement and penalization factors. Furthermore, this study evaluates the Wilson plot method as an alternative method to determine the heat transfer coefficient. Lastly, after evaluating several correlations in the annular cross-section, it is found that Meyer’s correlation provides the best prediction for heat transfer coefficient.

La tesi è realizzata in partnership tra il Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano e Lu-Ve S.p.A., società internazionale che si occupa di progettazione, produzione e vendita di scambiatori di calore. L’obiettivo di questo studio è quello di indagare le prestazioni di scambio termico del fluido R499A come fluido refrigerante durante l’ebollizione del flusso e il metodo del plot di Wilson. L’esperimento è condotto presso il Dipartimento dei Laboratori di Energia, ovvero il Laboratorio di Dinamica Fluidodinamica Termica Monofase e Multifase. L’apparato sperimentale è costituito da un tubo di rame liscio di diametro esterno di 8,92 mm come sezione di prova. La fonte di energia termica per l’esperimento è fornita da un flusso in controcorrente di acqua demineralizzata all’interno di uno scambiatore di calore coassiale. Durante l’esperimento, il cambiamento di fase viene eseguito con il valore della differenza di qualità è 0,8 mentre la qualità media è 0,5. L’esperimento viene eseguito alla temperatura della bolla pari a 5°C e alla pressione di esercizio di 7.16 bar. Inoltre, il flusso di massa del fluido `e compreso tra 70 e 220 kg/m²s. Utilizzando diverse correlazioni negli studi precedenti, questo studio valuta l’accuratezza di ogni correlazione. Questo studio trova che il modello di Bertsch et al. fornisce la migliore previsione per il coefficiente di trasferimento del calore, mentre la correlazione proposta da Zhang e Webb è risultata essere la più adatta per il gradiente di pressione. Inoltre, questo studio utilizza anche i dati sperimentali precedenti che sono stati condotti all’interno del tubo a micropinna per valutare i fattori di miglioramento e di penalizzazione. Inoltre, questo studio valuta il metodo Wilson plot come metodo alternativo per determinare il coefficiente di trasferimento del calore. Infine, dopo aver valutato diverse correlazioni nella sezione anulare, si scopre che la correlazione di Meyer fornisce la migliore previsione del coefficiente di trasferimento del calore.