Two-phase Heat Transfer in Minichannel Heat Exchangers: Heat Pump Applications, Design, Modelling

La riduzione della carica di refrigerante nelle applicazioni di condizionamento e riscaldamento è uno dei vincoli di progetto principali quando vengono utilizzati, per motivi di carattere ambientale, refrigeranti naturali come idrocarburi ed ammoniaca. Alcune applicazioni dei minicanali per la minimizzazione della carica nelle pompe di calore vengono presentate e discusse nella presente tesi. Viene presentato il progetto di un condensatore, un evaporatore ed uno scambiatore di calore rigenerativo innovativi. Questi componenti sono degli scambiatori di calore a fascio tubiero utilizzanti minicali del diametro di 2 mm e progettati per l’uso con propano. Delle procedure di calcolo basate su di correlazioni disponibili in letteratura ed un modello semplificato del processo di scambio termico sono state utilizzate per il progetto. Le prestazioni sperimentali degli scambiatori con R22 e propano vengono riportate e confrontate con le stime fornite dalle procedure di calcolo. Gli scambiatori di calore sono stati installati in una pompa di calore della capacità termica di 100 kW utilizzante propano come fluido frigorigeno. Nell’impianto della pompa di calore, destinata a test di laboratorio, sono stati installati anche un condensatore ed un evaporatore a piastre convenzionali. In questo modo è stato possibile confrontare diverse configurazioni al fine di quantificare in via sperimentale i vantaggi apportati dall’utilizzo degli scambiatori a minicanali, in termini sia di prestazioni energetiche, sia di carica di propano richiesta. In particolare, le prestazioni delle configurazioni utilizzanti il condensatore a minicanali vengono confrontate con quelle delle configurazioni utilizzanti lo scambiatore a piastre, e l’influenza sulle prestazioni energetiche dello scambiatore rigenerativo viene misurata e discussa. Vengono inoltre riportati dati sperimentali relativi all’efficienza con propano del compressore semiermetico installato nella pompa di calore. Oltre a correlazioni empiriche in grado di stimare le prestazioni termiche globali, il progetto e l’ottimizzazione di scambiatori di calore richiede una più approfondita conoscenza del deflusso e dello scambio termico all’interno di minicanali. Vengono presentate in questa tesi delle simulazioni di termofluidodinamica computazionale tramite l’innovativo metodo VOF (Volume Of Fluid) in grado di simulare direttamente deflussi multifase senza la necessità di utilizzare correlazioni empiriche per la modellazione dell’interazione tra le fasi. Al fine di validare l’efficacia di questo metodo nel calcolare il moto dell’interfaccia gas-liquido, il quale è un aspetto cruciale nello scambio termico bifase, sono state in un primo momento eseguite delle simulazioni del regime di deflusso ”churn flow” per una miscela aria-acqua nel caso di un tubo liscio verticale adiabatico, a differenti valori di diametro del tubo e di velocità superficiale delle due fasi. I risultati sono stati confrontati con visualizzazioni sperimentali ed un modello teorico semplificato del processo di levitazione delle onde è stato sviluppato ed utilizzato per commentare i risultati numerici. Le simulazioni con il metodo VOF sono state in un secondo momento estese allo studio della condensazione di R134a all’interno di un minicanale del diametro di 1 mm. Vengono riportati risultati computazionali relativi all’evoluzione dell’interfaccia vapore-liquido e dei coefficienti di scambio termico lungo il minicanale.