Facility for experiments on refrigerants during flow boiling and convective condensation : modernization, test and preliminary checks

The purpose of this thesis is the description of the installation steps of the experimental test circuit for the study of the performance of the refrigerants in the Single and Multiphase thermalfluidynamics laboratory of the Department of Energy. The improvements of the plant derives from the need to study new refrigerants with low GWP that require pressure up to 25 bar in order to be able to conduct the condensation tests at 40 ◦C and the addition of a test section in parallel to the previous one (the first with smooth tube and the second one with the micro-fins tube). Every components of the circuit has been adapted to be able to work at 30 bar and their performance has been improved. The installation of the plant has been conducted with Dynamis, the company that has dealt with the production of the new evaporator's box and the visualization apparatus. Once the experimental test circuit has been completed, leakage test and testing of the system have been performed. For the leakage test nitrogen has been used and the circuit has been beaten until a pressure up to 25 bar. For the testing of the system the results obtained with the new experimental apparatus have been compared with the results of the same tests that have been performed on the previous plant. The refrigerant used for the test is the R1234ze(E). Three different tests have been performed: partial phase change (Δx = 0.2, variable xm), total phase change (Δx = 0.6, xm = 0.5) and monophase test; evaporation has been performed at saturation temperature equal to 5◦C, operating pressure 2.59 bar and mass flux equal to 220 kg/m2s, while condensation at 35◦C, 6.68 bar, and 162 kg/m2s. The monophase test has been conducted in vapour state to test the suitability of the thermal insulation.

Lo scopo di questa tesi è la descrizione delle varie fasi dell'installazione dell'impianto sperimentale per test sulle prestazioni dei refrigeranti presente nel laboratorio di Termofluidodinamica Monofase e Multifase del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano. I miglioramenti dell'impianto derivano dal bisogno di studiare nuovi refrigeranti con basso GWP che richiedono pressioni di 25 bar per poter condurre test in condensazione a 40 ◦C e dall'aggiunta di una sezione di prova in parallelo alla precedente (la prima equipaggiata con un tubo liscio e la seconda con un tubo microalettato). Ogni componente del circuito è stato modificato in modo da poter lavorare ad una pressione di 30 bar e le loro prestazioni sono state migliorate. L'installazione dell'impianto è stata eseguita insieme a Dynamis, l'azienda che si è occupata anche della produzione della nuova struttura per l'evaporatore e dell'apparato di visualizzazione. Una volta completata l'installazione del circuito refrigerante sono state condotte le prove di tenuta ed il collaudo dell'impianto. Per le prove di tenuta è stato utilizzato dell'azoto e tutto il circuito è stato battuto fino alla pressione di 25 bar. Per il collaudo i risultati ottenuti con il nuovo apparato sperimentale sono stati confrontati con i risultati degli stessi test eseguiti sul precedente impianto. Il refrigerante utilizzato per il collaudo è R1234ze(E). Sono state eseguite tre diverse tipologie di test: cambio di fase parziale (Δx = 0.2, xm variabile), cambio di fase totale (Δx = 0.6, xm = 0.5) e prova in monofase; l'evaporazione è stata realizzata alla temperatura di 5 ◦C, pressione 2.59 bar e flusso di massa 220 kg/m2s, la condensazione a 35 ◦C, 6.68 bar e 162 kg/m2s. La prova in monofase è stata condotta in fase vapore per testare l'idoneità dell'isolamento termico.