INDAGINE SULLA TRASMISSIONE DI CALORE E SULLA POPOLAZIONE DI GOCCE DURANTE LA CONDENSAZIONE A GOCCE DI VAPORE PURO E ARIA UMIDA

Condensation of the water vapor is a phase change process encountered in many industrial applications. It is well accepted that promoting dropwise condensation (DWC) in place of the traditional filmwise condensation (FWC) has been identified as a method to enhance the heat transfer during condensation of pure steam. Even if the benefit of using hydrophobic surfaces during condensation of pure steam has been assessed over the past century, the possible advantage provided by promoting DWC in the presence of non-condensable gases deserves further investigation. The present thesis focuses on heat transfer measurements and modeling during dropwise condensation to improve the performance of condensers by controlling and modifying the wettability of the heat transfer surfaces, with particular attention to the units for cooling and dehumidification of the air. Surfaces of different wettability were tested during condensation of both pure steam and humidity, evaluating the effects of surface wettability on the two-phase heat transfer under varying experimental conditions. The thesis is divided into five Chapters. The first Chapter is dedicated to a brief review of the literature on surface wettability and dropwise condensation. The second chapter summarizes the heat transfer and droplet population measurements obtained investigating dropwise condensation of pure vapor. Several low-wettability coated substrates exhibited heat transfer coefficients (HTCs) of approximately 80-160 kW m-2 K-1 in the heat flux range 100-600 kW m-2. Endurance tests performed at constant heat flux showed that the optimization of the coating’s chemistry can drastically improve the coating lifetime well beyond 100 hours with no transition to FWC. Furthermore, starting from a lack in the literature, the effect of steam velocity on the DWC phenomenon was assessed. The third Chapter is focused on the experimental study of condensation from humid air, thus taking into account the presence of non-condensable gases in the study of the phenomenon. A novel experimental technique for the simultaneous measure of total heat flux (by a heat flux sensor) and latent heat flux (by weighing the mass of condensate) during condensation of flowing moist air is presented. In addition to the heat transfer measurements, time-lapse videos of the condensation process were acquired to provide droplet population and nucleation sites density measurements. In the fourth Chapter, the most important models that aim to describe the droplet population and the heat transfer during DWC are discussed. A new approach developed by the present authors to predict the HTC increase due to the vapor velocity is here presented and assessed against experimental data. In the last Chapter, the application of condensation in the field of air cooling and dehumidification is experimentally studied. Tests during condensation from humid air were carried out in the laboratory of Eurapo S.r.l. testing finned-coil heat exchangers. The experimental data acquired with water-ethylene mixtures have been used to assess the numerical model of heat exchanger used by the company when the fluid flowing in the tubes is a water-glycol mixture. Furthermore, the possibility of increasing the efficiency of fan coil units by applying surface coatings has been investigated. This work is financially supported by Eurapo S.r.l.

La condensazione di vapor d’acqua è un processo di cambiamento di fase che trova riscontro in molte applicazioni industriali. È ben noto che promuovere la condensazione a gocce (DWC) al posto di quella a film (FWC) è un’ottima strategia per migliorare il trasferimento di calore durante la condensazione di vapore puro. Anche se il vantaggio nell'utilizzare superfici idrofobiche durante la condensazione di vapore puro è stato accertato nel secolo scorso, il possibile beneficio fornito dalla promozione della DWC in presenza di gas non condensabili necessita di ulteriori investigazioni. Infatti, la presenza dell’aria complica lo studio del fenomeno. La presente tesi è focalizzata sulle misure di scambio termico e sulla modellistica durante la condensazione a gocce. L’obiettivo è quello di migliorare le prestazioni dei condensatori attraverso il controllo della bagnabilità delle superfici attive nello scambio termico, con un occhio di riguardo ai sistemi per il raffreddamento e la deumidificazione dell'aria. Nello specifico, sono state testate superfici con diversa bagnabilità durante la condensazione di vapore puro e in presenza di aria umida, andando a valutare gli effetti della bagnabilità superficiale sullo scambio termico bifase al variare delle condizioni sperimentali. Questa tesi è suddivisa in cinque Capitoli. Il primo capitolo è dedicato ad una breve rassegna della letteratura sulla bagnabilità superficiale e sulla condensazione a gocce. Nel secondo capitolo sono riassunte le misure di scambio termico e della popolazione di gocce ottenute dallo studio della condensazione a gocce di vapore puro. Diversi substrati funzionalizzati con rivestimenti a bassa bagnabilità hanno permesso di ottenere coefficienti di scambio termico (HTC) di circa 80-160 kW m-2 K-1 nell'intervallo di flussi termici 100-600 kW m-2. I test per valutare la resistenza dei rivestimenti, che sono eseguiti a flusso termico costante, hanno dimostrato che l'ottimizzazione chimica del rivestimento può migliorare drasticamente la durata del trattamento, allungandone la vita ben oltre le 100 ore senza passaggio alla condensazione a film. Inoltre, partendo da una carenza della letteratura, è stato valutato l'effetto della velocità del vapore sul fenomeno della condensazione a gocce. Il terzo capitolo è incentrato nello studio sperimentale della condensazione da aria umida, tenendo conto quindi della presenza di gas incondensabili nello studio del fenomeno. Viene presentata una nuova tecnica sperimentale per misurare simultaneamente il flusso termico totale (mediante un termoflussimetro) e il flusso termico latente (pesando la massa di condensato) durante la condensazione dell’umidità presente in un flusso di aria umida. Oltre alle misure di scambio termico, sono stati acquisiti dei video time-lapse del processo per fornire misure della popolazione di gocce. Nel quarto capitolo vengono presentati i modelli più importanti per descrivere la popolazione di gocce e lo scambio termico durante la DWC. Inoltre, viene presentato un nuovo metodo per valutare l'aumento del coefficiente di scambio termico dovuto alla velocità del vapore durante la DWC e lo si valida con i dati sperimentali. Nell'ultimo Capitolo, si presenta l'attività sperimentale svolta presso il laboratorio di Eurapo S.r.l. sugli scambiatori di calore a batteria alettata per il raffreddamento e la deumidificazione dell'aria. I dati sperimentali raccolti sono stati utilizzati per validare il modello numerico di scambiatore di calore utilizzato dall'azienda quando il fluido che scorre dentro ai tubi è una miscela di acqua e glicole. All’interno del capitolo, è stata studiata anche la possibilità di aumentare l'efficienza dei ventilconvettori con l'applicazione di rivestimenti superficiali. Questo lavoro è stato finanziato da Eurapo S.r.l.