Experimental study on flow boiling of refrigerants inside horizontal tubes

In this thesis an experimental study on flow boiling of refrigerants inside horizontal tubes is presented. Vaporization inside horizontal tubes is commonly used in evaporators of machines for refrigeration and air-conditioning applications. Most of flow boiling data, available in the open literature for HFC fluids, refer to a narrow range of saturation temperatures, resulting in a limited range of reduced pressure in the refrigerant vaporization data sets. The present data are taken at higher saturation temperature as compared to common air-conditioning applications. This allows to extend the reduced pressure range in the databases. The adoption of new refrigerants, such as carbon dioxide, with different thermodynamic and thermo-physical properties, requires to extend the pressure range of application of existing heat transfer predictive methods. When evaporating at 2 °C, for instance carbon dioxide has a saturation pressure of 3673 kPa and 0.5 reduced pressure, which is far higher as compared to common halogenated refrigerants. For R410A, 2 °C saturation temperature corresponds to 0.17 reduced pressure, while 0.39 reduced pressure is associated to 30 °C saturation temperature. On the other hand, an example of high evaporating temperature application of HFC refrigerants is represented by heat pump heat dryers. In this thesis new experimental measurements of heat transfer coefficient during flow boiling of R134a and R410A at 30 °C and 40 °C saturation temperature (reduced pressure from 0.19 to 0.5) inside a horizontal microfin tube are reported and discussed for a wide range of operative conditions: mass velocity from 80 to 600 kg/(m2 s), heat flux from 14 to 83.5 kW/m2 and vapour quality from 0.1 to 0.99. As compared to plain tubes, the presence of the fins modifies the two-phase flow pattern; for instance, capillarity forces play a role in microfin tube, at low mass velocity, and there is need to assess the prediction capability of the heat transfer models at these same conditions. Moreover, the fins also affect the conditions leading to dry-out and partial dry-out. The heat transfer coefficients in microfin tubes are compared with heat transfer smooth tube data for R134a and R410A at the same operating conditions. The heat transfer models by Koyama et al. (1996), Thome et al. (1999), Cavallini et al. (2006), Chamra and Mago (2007) and Hamilton et al. (2008) are compared with the new measurements of heat transfer coefficient in microfin tube. In the case of smooth tube, heat transfer data for R134a and R410A are used to assess the accuracy of the models by Gungor and Winterton (1987), Kandlikar (1991), Liu and Winterton (1991) and Wojtan et al. (2005b). The development of diabatic two-phase flow pattern maps is a key aspect to improve the understanding of the role of heat transfer mechanisms, but a flow pattern map is not yet available for flow boiling in microfin tube. Present flow boiling data in smooth and microfin tube have been here plotted in the diabatic two-phase flow pattern map by Wojtan et al. (2005a) for plain tube: the predicted flow patterns are discussed by analyzing the experimental heat transfer results. The transition boundary between stratified and annular flow regime, provided by Wojtan et al. (2005a), is compared with the transition curve from stratified to annular flow for condensation in microfin tube; in fact, during vaporization and condensation in microfin tube annular flow pattern occurs earlier as compared to a plain tube, at the same operating conditions. The prediction of the onset of dry-out is fundamental to get a more comprehensive understanding of the validity range of flow boiling heat transfer models and then to improve the design of an evaporator; but, few predicting correlations are available in the open literature, especially for microfin tube. New measurements of dry-out inception vapour quality in microfin tube, are here presented and discussed; the measured values are then compared with the correlation by Mori et al. (2000) for horizontal microfin tube. Measurements of pressure drop in microfin tube during adiabatic two-phase flow at 30 °C and 40 °C are reported and compared with the model by Cavallini et al. (1999). Addendum An experimental study on solar energy conversion for applications in solar cooling have been also carried out during the Doctorate course. In particular a new test rig for the measurement of efficiency of solar collectors has been set up and calibrated. Moreover, a new measuring system for the measurement of solar radiation in horizontal and tilted-oriented planes has been set up. The experimental measurements of solar radiation can be used to assess models for the prediction of solar radiation components on tilted-oriented surfaces. This part of the research is presented in the appendix, by reporting two papers on this activity.

In questa tesi viene presentato uno studio sperimentale sulla vaporizzazione di refrigeranti all’interno di un tubo orizzontale con superficie liscia e microalettata. La vaporizzazione interno tubo trova applicazione nelle macchine per la refrigerazione ed il condizionamento dell’aria. La maggior parte dei dati di scambio termico in vaporizzazione per fluidi HFC, disponibili in letteratura, si riferiscono ad un ristretto intervallo di temperature di saturazione, e quindi sono caratterizzati da un intervallo limitato di pressione ridotta. I dati nella presente tesi sono misurati a temperature più alte rispetto alle comuni applicazioni di condizionamento dell’aria. Ciò consente di estendere l’intervallo di pressione ridotta nei database. L’adozione di nuovi refrigeranti come l’anidride carbonica, con proprietà termodinamiche e termofisiche differenti rispetto ai refrigeranti di comune impiego, richiede di estendere l’intervallo di validità dei modelli per la previsione del coefficiente di scambio termico. Infatti, quando evapora alla temperature di 2 °C, l’anidride carbonica ha una pressione di saturazione di 3673 kPa e una pressione ridotta di 0.5, che è notevolmente più alta rispetto a quella dei comuni refrigeranti. Nel caso di R410A, alla temperatura di saturazione di 2 °C corrisponde una pressione ridotta di 0.17, mentre alla temperatura di saturazione di 30 °C è associata una pressione ridotta di 0.39. Un esempio applicativo di vaporizzazione di fluidi HFC ad alta temperatura è rappresentato dalle macchine asciugatrici a pompa di calore. In questa tesi vengono presentate nuove misure del coefficiente di scambio termico durante la vaporizzazione di R134a e R410A alla temperatura di saturazione di 30°C e 40°C (pressione ridotta da 0.19 a 0.5) all’interno di un tubo orizzontale microalettato. Le misure coprono un ampio intervallo di condizioni operative: portata di massa specifica tra 80 e 600 kg/(m2 s), flusso termico specifico tra 14 e 83.5 kW/m2 e titolo del vapore tra 0.1 e 0.99. Rispetto ad un tubo liscio, la presenza delle alette modifica il regime di deflusso in vaporizzazione. Per esempio a bassa portata di massa specifica, le forze di capillarità giocano un ruolo importante e c’è necessità di valutare l’accuratezza dei modelli di previsione di scambio termico a queste condizioni. La alette influenzano inoltre le condizioni operative che possono portare al dry-out. Le misure del coefficiente di scambio termico in tubo microalettato sono state confrontate con dati di scambio termico durante la vaporizzazione di R134a e R410A in tubo liscio alle stesse condizioni operative. I modelli per la stima del coefficiente di scambio termico di Koyama et al. (1995), Thome et al. (1997), Cavallini et al. (2006), Chamra e Mago (2007) and Hamilton et al. (2008) sono stati confrontati con le misure ad alta temperatura di saturazione effettuate per il tubo microlaettato. Nel caso del tubo liscio i dati di scambio termico in vaporizzazione per R134a e R410A sono stati confrontati con i modelli di Gungor e Winterton (1987), Kandlikar (1991), Liu e Winterton (1991) e Wojtan et al. (2005b). Lo sviluppo di mappe di deflusso bifase è un aspetto decisivo per migliorare la comprensione del ruolo dei meccanismi di scambio termico; tuttavia non esiste ancora una mappa di deflusso per la vaporizzazione entro tubo microalettato. I dati di vaporizzazione di R134a e R410A in tubo liscio e microalettato sono sono stati qui diagrammati nella mappa di deflusso per vaporizzazione in tubo liscio di Wojtan et al. (2005a): il regime di deflusso stimato dalla mappa è stato discusso, analizzando il corrispondente comportamento dei coefficienti in scambio termico. La curva di transizione tra regime di deflusso stratificato ed anulare, fornita dalla mappa di Wojtan et al. (2005a), è stata confrontata con la curva di transizione tra regime stratificato ed anulare, che si ha nel caso della condensazione in tubo microalettato; sia durante la vaporizzazione che la condensazione all’interno di un tubo microalettato il regime di deflusso anulare avviene a portate più basse rispetto al caso di un tubo liscio. La previsione dell’inizio del regime di dry-out è un altro aspetto fondamentale per ottenere una maggiore comprensione dell’intervallo di applicazione dei modelli di scambio termico e migliorare così la progettazione dell’evaporatore. Tuttavia, poche correlazioni sono disponibili in letteratura per la stima del titolo di dry-out incipiente, soprattutto nel caso di tubo microalettato. Nuove misure del titolo di vapore di inizio dry-out, nel tubo micro alettato, sono qui presentate confrontate con la correlazione di Mori et al. (2000). Misure sperimentali della caduta di pressione attraverso il tubo microalettato durante deflusso bifase adiabatico alla temperatura di saturazione di 30 °C e 40 °C sono qui riportate e confrontate con il modello di previsione di Cavallini et al. (1999) per tubi con superficie intensificata. Addendum Durante il corso di dottorato è stato inoltre condotto uno studio sperimentale sulla conversione dell’energia solare per applicazioni di “solar cooling” (raffrescamento solare). In particolare è stato installato e calibrato un nuovo impianto di prova per la misura dell’efficienza dei collettori solari ed è stato messo a punto nuovo sistema di misura della radiazione solare in piani diversamente orientati. Le misure sperimentali hanno consentito di verificare l’accuratezza dei modelli per la stima delle componenti della radiazione solare su superfici con diversa orientazione. Questa parte della ricerca è presentata in appendice riportando due articoli su questa attività.