R-449A partial evaporation: effect of bubble temperature and flow regime on pressure gradient and heat transfer coefficient

This study presents an experimental investigation on the flow boiling behavior of R-449A, a fourth-generation refrigerant with a lower GWP than its predecesor R-404A, in horizontal smooth tubes. It focuses on the measurement and evaluation of the temperature effect, under partial evaporation conditions, on the two parameters that quantify heat exchange: the pressure drop per unit length (pressure gradient) and the heat transfer coefficient. Tests were conducted under controlled conditions, fixing quality difference to 0.2 and considering: four different mass fluxes, varying in the range $G \in [130; 400] kg \cdot m^{-2} \cdot s^{-1}$; three different bubble temperatures, varying in the range $T_b \in [2.5; 7.5] ^\circ C$; five mean quality values, varying in the range $x_m \in [0.2; 0.85]$. To better understand the effect of the temperature, its effect on thermophysical properties and flow pattern maps was quantified. The results have shown a decreasing trend in pressure gradient with increase in bubble temperature, whereas the influence on the heat transfer coefficient can be negligible. Besides, as vapor quality increases, the fluid undergoes successive flow regime transitions, from slug toward annular and dryout conditions. These transitions lead to an increase in the average flow velocity, leading to an increase in pressure gradient and heat transfer coefficient up to a point between $x_m \in [0.6; 0.8]$. Beyond this range, the onset of dryout reduces wall wetting, causing a decline in heat transfer efficiency. Experimental results were compared with several empirical correlations. The best performing model for pressure gradient is the one of Zhang and Webb. For heat transfer coefficient, good agreement was found with the models of Wattelet et al. and Del Col et al. (combined with the Bell and Ghaly correction), and Liu and Winterton.

Questo studio presenta un'indagine sperimentale relativa all'evaporazione convettiva di R-449A (un refrigerante di quarta generazione con un GWP inferiore rispetto al suo predecessore R-404A) in tubi lisci disposti orizzontalmente. Scopo del lavoro è misurare e valutare l'effetto della temperatura, in condizioni di evaporazione parziale, sui due parametri che quantificano lo scambio termico: le cadute di pressione per unità di lunghezza (gradiente di pressione) e il coefficiente di scambio termico. I test sono stati condotti fissando la variazione di titolo al valore $\Delta x = 0.2$ e considerando: quattro diverse portate specifiche, che variano nell'intervallo $G\in[130;400]kg\cdot m^{-2}\cdot s^{-1}$, tre diverse temperature di bolla, che variano nell'intervallo $T_{b}\in[2.5;7.5]^{\circ}C$, cinque valori di titolo medio, che variano nell'intervallo $x_{m}\in[0.2;0.85]$. Per meglio comprendere l'effetto della temperatura, ne è stato quantificato l'effetto sulle proprietà termofisiche e sulle mappe di flusso. I risultati hanno mostrato una tendenza alla diminuzione del gradiente di pressione con l'aumento della temperatura di bolla, mentre l'influenza sul coefficiente di trasferimento termico sembra trascurabile. Inoltre, con l'aumento del titolo di vapore medio, le mappe di flusso evidenziano le transizioni di regime di moto che si instaurano nella sezione di prova (ad esempio da regime a tappi, a moto anulare fino a raggiungere le condizioni di dry-out). Queste transizioni causano una aumento della velocità media del flusso che comporta un aumento del gradiente di pressione e del coefficiente di scambio termico fino a valori di titolo medio compresi tra $x_{m}\in[0.6;0.8]$. Per titolo di vapore $x_{m}>0.8$, l'insorgere del dryout comporta la progressiva ascugatura del perimetro del condotto, causando un peggioramento delle caratteristiche di scambio termico. I risultati sperimentali sono stati confrontati con diverse correlazioni empiriche. Il modello che mostra maggior accordo con i dati sperimentali è, per il gradiente di pressione, quello di Zhang e Webb. Per il coefficiente di scambio termico, si evidenzia un buon accordo tra dati sperimentali e i modelli di Wattelet et al. e di Del Col et al. (con la correzione proposta da Bell e Ghaly per le miscele), e di Liu e Winterton.