THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF ENHANCED HEAT EXCHANGERS FOR AIR CONDITIONING APPLICATIONS

Nowadays the use of different techniques for the performance enhancement of heat exchangers is widespread and plays an important role in the design of energy systems. This work focuses on the study of heat exchangers that use extended surfaces to increase the heat transfer coefficient and the heat transfer area of water-to-air, refrigerant-to-air and water-to-refrigerant units. This work has been possible thanks to the financial support of Eurapo S.r.l. The present thesis is divided in five Chapters. The first Chapter presents the experimental activity performed in the laboratory of Eurapo S.r.l. in order to determine the thermal performance of a water/air finned tube heat exchanger with three rows and 12 tubes per row. This HX has been tested varying the inlet conditions of water and air, simulating the working conditions in winter (only sensible heat transfer) and summer (sensible and latent heat transfer on the air side when dehumidification is present). Moreover, the same unit has been tested with three different inclination angles with respect to the direction of air flow, in order to investigate the effect of the tilt angle on the thermal performance in devices such as fan coils. Similar tests have been performed also in an enthalpy tunnel, which allowed the measurement of air volumetric flow rate during the heat transfer. This is particularly interesting in order to understand the influence of the condensate moisture and of the tilt angle on the pressure drop, which affects the air mass flow rate and the total heat flow rate exchanged. The second Chapter reports the experimental activity performed with the aim to investigate the performance of a multiple aluminium minichannels heat exchanger working as evaporator and condenser. A special prototype has been designed, built and instrumented in order to measure pressure drop and quasi local heat transfer coefficient during single and two phase flow with different working fluids having low Global Warming Potential (GWP) as R32 and R1234ze(E). This prototype can be considered as a module of a bar-and-plate heat exchanger, which is an innovative solution for air conditioning applications. The results of these measurements have been compared with the prediction of several literature correlations. In the third Chapter, a model has been developed in Matlab® to evaluate the thermal performance of finned tubes heat exchangers working with water inside and air outside the tubes. The model divides the heat exchanger in several elements that represent a small length of tube with the corresponding fins attached, and it is able to simulate different circuitries working with and without dehumidification. The heat transfer coefficients on the water and on the air side can be calculated respectively with two and eight different correlations. Using the experimental data obtained during the activity described in Chapter one, it was possible to assess the best predictive correlations for the heat transfer coefficient in the tested finned coil. A model for a finned coil evaporator was also developed in the fourth Chapter. The model is able to simulate the behaviour of finned tubes heat exchangers working with a refrigerant fluid that evaporates inside the tubes. This allows to evaluate the performance of a dehumidification device working as the evaporator of an inverse cycle machine. The last Chapter reports the numerical models developed in Matlab® to simulate the performance of bar-and-plate heat exchangers working as evaporators and condensers in refrigerant/water devices. The experimental analysis reported in the second Chapter allowed to choose the best predictive correlations, while the results of experimental tests on direct expansion systems provided by a different laboratory are used to validate the models.

Al giorno d’oggi vi è un crescente interesse all’uso di diverse tecniche per il miglioramento delle prestazioni termiche degli scambiatori di calore e alla progettazione ottimale di sistemi energetici. Questo lavoro si concentra sullo studio di scambiatori di calore che utilizzano superfici estese per aumentare il coefficiente di scambio termico e l'area di scambio per unità acqua-aria, refrigerante-aria ed acqua-refrigerante. Questo lavoro è stato possibile grazie al sostegno finanziario di Eurapo S.r.l. La presente tesi è divisa in cinque Capitoli. Il primo Capitolo presenta l'attività sperimentale eseguita nel laboratorio di Eurapo S.r.l. su uno scambiatore di calore alettato acqua/aria con tre ranghi e 12 tubi per rango con l’obiettivo di determinarne le prestazioni. Questo scambiatore è stato testato variando le condizioni di ingresso di acqua e aria, simulando le condizioni di lavoro in inverno (solo trasferimento di calore sensibile) e in estate (trasferimento di calore sensibile e latente sul lato aria in presenza di deumidificazione). Inoltre, la stessa unità è stata testata con tre differenti angoli di inclinazione rispetto alla direzione del flusso d'aria, al fine di studiare l'effetto di inclinazione sulle prestazioni termiche in dispositivi quali i ventilconvettori. Le stesse condizioni sono state testate anche in un tunnel entalpico, che ha permesso la misura della portata volumetrica d’aria durante lo scambio termico. Ciò è particolarmente interessante per comprendere l'influenza della portata di condensato e dell’inclinazione sulla caduta di pressione nella batteria alettata, che si riflette nella portata massica di aria e nella portata totale di calore scambiato. Il secondo Capitolo riporta l'attività sperimentale effettuata per indagare le prestazioni di scambiatori a minicanali in alluminio usati come evaporatori e condensatori. Uno speciale prototipo è stato progettato, costruito e strumentato per misurare la caduta di pressione e il coefficiente di scambio termico quasi-locale durante il deflusso monofase e bifase con diversi fluidi a basso potenziale di riscaldamento globale (GWP) come R32 e R1234ze (E). Questa sezione di prova può essere considerata come un modulo di uno scambiatore di calore bar-and-plate, che è una soluzione innovativa per applicazioni di condizionamento. I risultati di tali misurazioni sono state confrontate con la previsione di numerose correlazioni presenti in letteratura. Nel terzo Capitolo, è stato sviluppato un modello in Matlab® per valutare le prestazioni termiche di scambiatori di calore a tubi alettati che operano con acqua interna ed aria esterna. Il modello divide lo scambiatore in diversi elementi che rappresentano un piccolo tratto di tubo con le corrispondenti alette, ed è in grado di simulare diverse circuitazioni, con e senza deumidificazione. I coefficienti di scambio termico lato acqua e lato aria vengono calcolati rispettivamente con due e otto correlazioni differenti. Utilizzando i dati sperimentali ottenuti durante l'attività descritta nel primo capitolo, è stato possibile valutare le correlazioni che meglio predicono il coefficiente di scambio termico nella batteria alettata. Il quarto Capitolo mostra un modello numerico sviluppato per evaporatori a batteria alettata. Questo simula il comportamento di scambiatori di calore a tubi alettati operanti con un fluido frigorigeno che evapora all'interno dei tubi. Questo permette di valutare le prestazioni di sistemi di deumidificazione con macchina a ciclo inverso. L'ultimo Capitolo riporta i modelli numerici sviluppati in Matlab® per simulare le prestazioni di scambiatori di calore tipo bar-and-plate utilizzati come evaporatori e condensatori in dispositivi refrigerante/acqua. L'analisi sperimentale riportata nel secondo Capitolo ha permesso di scegliere le migliori correlazioni predittive, mentre i risultati delle prove sperimentali effettuate su sistemi ad espansione diretta in un laboratorio differente sono utilizzati per convalidare i modelli.