Two-phase heat transfer in minichannels: modeling and heat pump applications

Attualmente vi è una crescente domanda di dispositivi compatti con prestazioni elevate in applicazioni di riscaldamento e raffreddamento; una geometria compatta consente di avere una carica ridotta di refrigerante rispetto agli scambiatori convenzionali. L'attività di ricerca è focalizzata sull'analisi del fenomeni di condensazione all'interno di un singolo minicanale e sull'applicazione della tecnologia a minicanali per condensatori ed evaporatori in sistemi di riscaldamento e raffreddamento. Quando il diametro interno diminuisce, nuovi parametri possono influenzare in modo significativo il trasferimento di calore in deflusso bifase. Oggigiorno potenti strumenti numerici permettono di ottenere un'analisi dettagliata dei meccanismi di trasferimento di calore in deflusso bifase all'interno di canali e di modellare l'interazione tra le fasi senza utilizzare alcuna legge empirica di chiusura. In questo modo è possibile avere un approccio puramente numerico che può essere applicato per diversi fluidi e diverse condizioni operative, risultando indipendente dalle correlazioni empiriche in letteratura. In particolare, il metodo VOF è stato utilizzato per studiare le caratteristiche principali dei fenomeni di condensazione all'interno di un singolo minicanale ed i risultati numerici sono stati poi convalidati con i dati sperimentali. Poiché le condizioni a bassa portata specifica sono le meno indagate a causa della elevata incertezza sperimentale quando il flusso termico è dell'ordine di pochi watt, simulazioni numeriche sono state effettuate allo scopo di ottenere una panoramica del processo di condensazione in tali condizioni operative, concentrando l'indagine sugli effetti della proprietà del fluido, la forma, le dimensioni e l'’inclinazione del canale. Le simulazioni VOF sono state poi estese allo studio delle instabilità all’interfaccia durante il processo di condensazione di R134a per un deflusso anulare-ondoso all'interno di un minicanale verticale con un diametro interno di 3.4 mm. I risultati numerici sull'evoluzione dell’interfaccia liquido-vapore nel tempo sono stati convalidati con visualizzazioni sperimentali e l'influenza delle onde sullo scambio termico è stata analizzata. Oltre all'analisi numerica del trasferimento di calore, l'applicazione della tecnologia a minicanali è stata anche investigata in sistemi di riscaldamento e raffreddamento. L'uso di minicanali negli scambiatori di calore permette di ridurre in modo significativo la carica di refrigerante rispetto ai tradizionali scambiatori di calore a batteria alettata. Questo è particolarmente utile in una pompa di calore reversibile quando lo stesso scambiatore di calore può funzionare come un condensatore o come evaporatore ed è particolarmente utile quando il refrigerante è infiammabile o mediamente infiammabile. Lo sviluppo di modelli fisici è necessario per la previsione delle prestazioni e per la progettazione di sistemi completamente innovativi. Procedure di calcolo sono state così implementate per valutare le prestazioni di una pompa di calore reversibile acqua-acqua e aria-acqua utilizzando i minicanali nel trasferimento di calore con l'aria, considerando sia l'aria che il terreno come possibili fonti di calore. Questo lavoro è stato possibile grazie al sostegno finanziario di Riello SpA .