Experimental study on flow boiling of refrigerants inside horizontal tubes

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.