TWO-PHASE HEAT TRANSFER INSIDE MINICHANNELS

Condensation and vaporization in mini and microchannels are major topics in heat transfer research nowadays. Despite recent activity carried out in order to investigate the behaviour of two-phase heat transfer in small diameter channels, there is still a lack of information and reliable data, if compared to the wide range of engineering design and applications. Two-phase heat transfer and pressure drop inside two minichannels with different shape (circular and square cross section) are investigated in this thesis. A 0.96 mm diameter single circular minichannel is tested to measure both local heat transfer coefficients during condensation and two-phase pressure losses of R32 and R245fa. Test runs have been performed at around 40°C saturation temperature; the pressure drop tests have been performed in adiabatic flow conditions, to measure the frictional pressure losses. The heat transfer experimental data are compared against predicting models to provide a guideline for the design of minichannel condensers. Experimental heat transfer coefficients measured during R134a condensation at 40°C saturation temperature, inside a single square cross section minichannel, having a 1.18 mm side length, are also reported in this thesis. The experimental local heat transfer coefficients are compared to the ones previously obtained in the circular minichannel. This subject is particularly interesting since most of the mini and microchannels used in practical applications have non circular cross sections. Tests have been performed with R134a at 40°C saturation temperature. As compared to the heat transfer coefficients measured in a circular minichannel, in the square minichannel a heat transfer enhancement at low values of mass velocity is found; this must be due to the effect of the surface tension. The present work also reports the heat transfer coefficients measured during flow boiling of R245fa, R134a and R32 in a the single circular channel. The test runs have been performed during vaporization at around 30°C saturation temperature. As a peculiar characteristic of the present technique, the heat transfer coefficient is not measured by imposing the heat flux; instead, the boiling process is governed by controlling the inlet temperature of the heating secondary fluid (water). The flow boiling data taken in the present test section are presented and discussed, with particular regard to the effect of heat flux, mass velocity, vapour quality and fluid properties. The onset of dryout is detected by means of the standard deviation of the temperature readings in the wall. The wall temperature in fact displays larger fluctuations in the zone where dryout occurs, which are related to the presence of a liquid film drying up at the wall with some kind of an oscillating process.

La condensazione e la vaporizzazione all'interno di minicanali sono attualmente temi di grande interesse nella ricerca sullo scambio termico. Nonostante i recenti studi portati avanti per investigare il comportamento dello scambio termico bifase all’ interno di minicanali, c’è ancora mancanza di informazioni e di dati affidabili rispetto all’ampio numero di applicazioni. In questa tesi viene presentato uno studio sperimentale sullo scambio termico bifase e sulle cadute di pressione all’interno di due minicanali di forma diversa (sezione circolare e sezione quadrata). Un minicanale circolare singolo, avente un diametro di 0.96 mm, è stato utilizzato per misurare il coefficiente di scambio termico locale durante la condensazione e le cadute di pressione bifase con i fluidi R32 e R245fa. Le prove sperimentali sono state realizzate alla temperatura di saturazione di 40°C; le misure di cadute di pressione sono state condotte in condizioni di deflusso adiabatico, in modo da misurare solo la componete dovuta all’attrito. I dati sperimentali di scambio termico sono stati poi confrontati con alcuni modelli in modo da fornire delle linee guida per il dimensionamento dei condensatori a minicanali. In questa tesi vengono presentati i coefficienti sperimentali di scambio termico ottenuti durante la condensazione di R134a alla temperatura di saturazione di 40°C, all’interno di un minicanale avente sezione trasversale quadrata e un lato pari a 1.18 mm. I dati sperimentali sono stati confrontati con quelli precedentemente ottenuti nel minicanale circolare. Questo aspetto è particolarmente interessante poiché molti dei minicanali utilizzati nelle applicazioni pratiche hanno sezioni non circolari. Dal confronto tra minicanale quadrato e circolare emerge come nel caso del minicanale quadrato si abbia un aumento del coefficiente di scambio termico alle basse portate specifiche; questo è dovuto all’effetto della tensione superficiale. Inoltre, nel presente lavoro vengono riportati i coefficienti di scambio termico misurati durante la vaporizzazione convettiva di R245fa, R134a e R32 all’interno del minicanale circolare. Le prove sperimentali sono state condotte alla temperatura di saturazione di 30°C. La caratteristica particolare di questa tecnica è che il coefficiente di scambio termico non è misurato imponendo il flusso termico; il processo di ebollizione è invece governato dalla temperatura di ingresso del fluido secondario (acqua). I dati ottenuti sono stati analizzati con particolare attenzione all’effetto del flusso termico, della portata specifica di massa, del titolo di vapore e delle proprietà dei fluidi. L’inizio del dryout viene individuato attraverso il valore della deviazione standard delle temperature alla parete. Infatti, la temperatura alla parete del canale presenta grandi oscillazioni nella zona in cui inizia il dryout; queste oscillazioni sono legate alla presenza del film di liquido che si secca alla parete con un fenomeno di tipo oscillatorio.