New design of a test rig for experiments on refrigerants during flow boiling and condensation : technical improvement, performance boost and upgrade of the post-processing tools

This thesis is focused on the improvement of the experimental test circuit for refrigerants in the Single and Multiphase thermal fluid dynamics laboratory of the Department of Energy. The upgrades of the system specifically consist: in the increase of the maximum pressure from 15 bar to 30 bar, in the addition of a test section in parallel to the previous one (the first with a smooth tube and the second with a finned tube) and in the performance boost of many components like the visualization apparatus and the condensers. The need for a system improvement derives from the introduction of new refrigerants with low GWP and peculiar thermodynamics proprieties that for tests at 40 °C requires pressure up to 25 bar. It is also decided to reduce the plant stops due to the substitution of the tube inside the test section. The work was divided into three stages: the upgrade of the components, the dismantlement of the previous circuit and the building of the new testing system. The upgrade stage was executed with the following procedure: firstly, the component was re-designed, secondly, the new model was tested with preliminary calculations and, in the end, a specialized company was contacted for the construction of the new piece. The improvement of the system is not only relegated to the circuit part but also the data acquisition and post-processing software were improved by developing: a program to evaluate the heat transfer coefficient directly on the acquisition software and a program to help the tuning parameters of the PIDs. Furthermore, it is made a study about the effects of the mixture composition uncertainty on the bubble temperature uncertainty using as fluid the 4-component refrigerant R449a.

Lo scopo di questa tesi è il miglioramento dell’impianto sperimentale per test sui refrigeranti presente nel laboratorio di Termofluidodinamica Monofase e Multifase del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano. Le migliorie apportate consistono: nell’aumentare la massima pressione di funzionamento da 15 bar a 30 bar, nell’aggiunta di una nuova sezione per i test in parallelo alla precedente (la prima equipaggiata con un tubo liscio e la seconda con un tubo microalettato) ed un incremento generale delle prestazioni dei vari componenti come l’apparato di visualizzazione ed i condensatori. La necessità di tale miglioramento deriva dalla diffusione di nuovi refrigeranti con un basso GWP e con peculiari proprietà termodinamiche, i quali, per test a 40 °C, richiedono pressioni fino a 25 bar. Inoltre, si è voluto anche ridurre i tempi di fermo impianto dovuti alla sostituzione dei tubi nella sezione di test. Il lavoro è stato diviso in tre fasi: lo sviluppo dei nuovi componenti, lo smantellamento del circuito precedente e la costruzione del nuovo impianto. La prima fase è stata eseguita secondo la seguente procedura: prima il componente designato è stato ridisegnato, poi il nuovo modello viene testato attraverso dei calcoli preliminari e, infine, un’ azienda specializzata è contattata per la costruzione del nuovo pezzo. L’aggiornamento dell’impianto non è solamente relegato al circuito ma anche i software per l’acquisizione dei dati e per il post-processing sono stati migliorati sviluppando: un programma per calcolare il coefficiente di scambio termico direttamente sul software di acquisizione e un programma che aiuta il calcolo dei parametri di regolazione dei PID. In aggiunto, è stata svolta un’analisi riguardo gli effetti dell’incertezza della composizione di una miscela sull’incertezza della temperatura di bolla, usando come fluido il refrigerante a 4 componenti R449a.