Two-phase pressure drop measurement and flow visualization in a Chevron-type corrugated plate channel

This thesis aims to improve the design and operation of plate heat exchangers by studying the flow behavior and pressure drop characteristics in these systems. The goal of this thesis is to investigate the single-phase flow pressure drops, two-phase flow pressure drops, and flow patterns in plate heat exchangers to identify the most important parameters and most suitable models for two-phase flow analysis. An experimental facility for conducting both pressure drops and flow visualization in plate heat exchangers was developed. The tests were carried out on a corrugated plate heat exchanger replica channel characterized by hard plate corrugation angles in adiabatic conditions. The fluid adopted were air and water and the channel was operated in a vertical upward configuration. Single-phase measurements for both air and water were conducted and new correlations for friction factor were obtained. Two-phase flow was investigated, pressure drops were measured and flow patterns were visualized. The gravitational and frictional pressure drops contributions were considered separately and void fraction models were found to be critical for the correct evaluation of the former. The frictional contribution was analyzed with both separated and homogeneous flow approaches. The separated flow revealed to be superior in correlating the results. New correlations based on separated flow model were proposed. The visualization campaign was conducted in order to identify the two-phase flow patterns in plate heat exchangers. Six main patterns were observed: fine bubbly flow, coarse bubbly flow, Taylor-like bubbly flow, heterogeneous flow, partial film flow, film flow. The patterns were described in detail and the condition under which could be observed were recognized. The visualized patterns were reported on flow maps with the superficial velocities represented on the axes. Some transition criteria were defined in order to predict the flow patterns.

Questa tesi mira a migliorare il design e le performance degli scambiatori di calore a piastre mediante lo studio della fluidodinamica e delle cadute di pressione in queste applicazioni. Gli obiettivi della tesi sono indagare le cadute di pressione in singola fase e in bifase, nonchè i regimi di flusso negli scambiatori di calore a piastre, al fine di identificare i parametri più importanti e i modelli più adatti per l’analisi del flusso bifase. È stato inoltre sviluppato un impianto sperimentale per misurare le perdite di carico e visualizzare il flusso bifase nei suddetti scambiatori di calore a piastre. Sono stati condotti test su un canale replica di uno scambiatore di calore a piastre corrugate caratterizzato da elevati angoli di corrugazione in condizioni adiabatiche. I fluidi utilizzati sono aria e acqua e il canale è stato operato in configurazione verticale verso l’alto. Le misure in singola fase sono state eseguite per entrambi i fluidi e sono state ottenute nuove correlazioni per il fattore di attrito. È stato inoltre indagato il flusso bifase, misurando le perdite di carico e visualizzando i regimi di flusso. I contributi gravitazionale e d’attrito delle perdite di carico sono stati considerati separatamente e la modellizazione della frazione di vuoto è risultata fondamentale per la corretta valutazione del contributo gravitazionale. Il contributo d’attrito è stato indagato sia tramite l’analisi a flusso separato che a flusso omogeneo. L’analisi a flusso separato si è dimostrata più efficace nel correlare i risultati. Sono state proposte nuove correlazioni basate sul modello di flusso separato. La visualizzazione è stata condotta al fine di identificare i regimi di flusso bifase negli scambiatori di calore a piastre. Sono stati osservati sei regimi principali: flusso a bolle fini, flusso a bolle grossolane, flusso a bolle simil-Taylor, flusso eterogeneo, flusso a film parziale, flusso a film completo. I regimi sono stati descritti dettagliatamente e sono state riconosciute le condizioni per cui possono essere osservati. I regimi visualizzati sono stati riportati su mappe di flusso recanti le velocità superficiali sugli assi. Infine, sono stati definiti alcuni criteri di transizione per prevedere i regimi di flusso.