Experimental study of two-phase flow and heat transfer during vaporization, filmwise and dropwise condensation of refrigerants and steam inside small diameter channels

In questa Tesi sono studiati la condensazione a film, l’ebollizione convettiva e il deflusso adiabatico bifase all’interno di minicanali. Inoltre è presentato uno studio sperimentale riguardante la condensazione a gocce su superfici piane all’interno di un canale di piccole dimensioni. Due sono gli obiettivi principali di questo lavoro: lo studio di fluidi refrigeranti eco-compatibili e il miglioramento dello scambio termico bifase. Negli ultimi decenni, la sempre maggiore attenzione ai problemi ambientali, abbinata alla richiesta di dispositivi di scambio termico sempre più compatti ed efficienti ha portato notevoli cambiamenti e miglioramenti nella tecnica di refrigerazione. L'uso di nuovi refrigeranti con ridotto effetto serra (GWP) in minicali, microcanali e nanocanali ha assunto particolare attenzione nei sistemi ingegneristici. In particolare il fluido R1234yf, che ha un GWP pari a 4, è emerso come il sostituto del refrigerante R134a nei futuri impianti di climatizzazione nell’industria automobilistica. In questa Tesi sono presentati i coefficienti di scambio termico e le perdite di carico misurati durante deflusso monofase e bifase di R1234yf all’interno di due differenti minicanali. Le prove sperimentali sono state realizzate all’interno di un minicanale a sezione circolare e di un minicanale a sezione quadrata aventi rispettivamente un diametro idraulico pari a 0.96 e 1.23 mm. I coefficienti di scambio termico, misurati durante condensazione a film alla temperatura di saturazione di 40°C e durante vaporizzazione convettiva alla temperatura di saturazione di 30°C, sono stati poi confrontati con quelli ottenuti in precedenza con il fluido R134a. E’ stato fatto inoltre un confronto delle perdite di carico bifase misurate con questi due fluidi. Con l’obiettivo di verificare la validità della teoria convenzionale nella micro-scala, due nuovi minicanali a sezione circolare, aventi 0,96 e 2 mm di diametro interno, sono stati dimensionati e realizzati appositamente per misurare le perdite di carico durante deflusso bifase e monofase. Il buon accordo trovato con i modelli classici validi per i canali convenzionali ha permesso di convalidare una tecnica per determinare il diametro idraulico dei condotti dalle misure di perdita di carico durante deflusso in regime laminare. Nella presente Tesi è presentato inoltre uno studio riguardante il miglioramento del processo di condensazione con l’obiettivo di aumentare l’efficienza energetica degli scambiatori di calore e di diminuirne le dimensioni. Sono state studiate superfici in rame nano strutturate con lo scopo di promuovere la condensazione a gocce piuttosto che quella a film. Un nuovo impianto sperimentale costituito da un termosifone bifase è stato realizzato per misurare i coefficienti di scambio termico durante condensazione di vapor d’acqua alla temperatura di saturazione di 110 °C. Per investigare l’effetto della velocità del vapore, riproducendo le reali condizioni degli scambiatori a piastre, la sezione sperimentale è stata realizzata mediante un canale rettangolare di piccole dimensioni (3.6 mm di diametro idraulico). L’impianto sperimentale permette di misurare i coefficienti si scambi termico durante la condensazione, ma anche la visualizzazione dei movimenti delle goccioline. Un semplice processo a immersione chimica è stato utilizzato per ottenere una superficie in rame superidrofoba. Le prestazioni di scambio termico di tale superficie e di alcune superfici in rame lucidato sono state studiate durante la condensazione a gocce.