Two-phase heat transfer inside minichannels: fundamentals and applications in refrigeration and solar technology

In questa tesi sono presentati i risultati di numerose prove sperimentali che mirano a migliorare la conoscenza dello scambio termico bifase all’interno di minicanali e a caratterizzare le prestazioni di due fluidi a basso impatto ambientale come il propano e il refrigerante R1234ze(E). Inoltre, sono contenute alcune considerazioni relative all’applicazione della tecnologia dei minicanali nella refrigerazione e nei concentratori solari. Dal momento che le perdite di carico influenzano notevolmente lo scambio termico in regime bifase, è stata condotta un’analisi sperimentale sul gradiente di pressione per attrito in condizioni adiabatiche di deflusso con R134a, R1234ze(E) e propano all’interno di due minicanali non lisci in rame, a sezione circolare e con diametri rispettivamente di 0.96 mm e 2.0 mm a diverse portate specifiche di massa e a in un intervallo di temperature di saturazione tra 30°C e 50°C. I punti sperimentali sono stati confrontati con i valori calcolati mediante alcuni modelli disponibili in letteratura. Sono stati misurati i coefficienti di scambio termico in condensazione a 40°C e in vaporizzazione a 31°C, utilizzando in test successivi R1234ze(E) e propano all’interno di un singolo minicanale non liscio a sezione circolare e con diametro interno di 0.96 mm. Durante le prove sperimentali, il refrigerante in esame scambia calore con un fluido secondario, che nella fattispecie è acqua distillata, pertanto il flusso termico locale non è costante e il suo calcolo accurato rappresenta l’aspetto principale della tecnica sperimentale. È stata valutata la precisione predittiva di alcuni modelli disponibili in letteratura per il calcolo dei coefficienti di scambio termico in condensazione e vaporizzazione in base ai dati sperimentali raccolti. Le forze che entrano in gioco durante un processo di condensazione all’interno dei minicanali sono dovute allo sforzo tangenziale all’interfaccia delle due fasi, all’accelerazione di gravità e alla tensione superficiale, specie se la sezione del canale presenta degli angoli. Pochissimi studi in letteratura riguardano l’effetto dell’inclinazione. In questo lavoro, è stato analizzato l’effetto dell’orientazione del canale durante la condensazione di R134a ed R32 all’interno di un minicanale a sezione quadrata con un diametro idraulico di 1.23 mm e ad una temperatura di saturazione di 40°C. Sono state esaminate diverse configurazioni della sezione di prova, dal deflusso verticale ascendente al deflusso verticale discendente. Quando si esamina l’applicazione della tecnologia dei minicanali nell’ambito della refrigerazione, avere a disposizione una metodologia per valutare le prestazioni potenziali di scambio termico di un refrigerante durante la condensazione all’interno di un tubo diventa uno strumento molto utile per ottimizzare le prestazioni dell’intero sistema e la progettazione degli scambiatori di calore. I Criteri di Valutazione delle Prestazioni (PEC) indicati come Fattore di Penalizzazione per la condensazione (PF) e Penalizzazione Totale in termini di Temperatura nel lato refrigerante (TTP) vengono applicati in questa tesi per classificare i refrigeranti che sono stati testati in un minicanale circolare con diametro interno di 0.96 mm nel Laboratorio di Scambio Termico Bifase presso l’Università degli Studi di Padova. Nell’industria elettronica, la tecnologia dei minicanali ha dimostrato di essere efficiente ed affidabile nell’asportare elevati flussi termici attraverso aree di scambio molto ridotte. Questa caratteristica ha suggerito la realizzazione di ricevitori a minicanali per concentratori solari. In questo lavoro, un concentratore parabolico a fuoco lineare è descritto e testato utilizzando due ricevitori: un ricevitore fotovoltaico termico per la cogenerazione di energia elettrica e calore ed un ricevitore termico con vernice selettiva per la produzione di energia termica a media temperatura. Per ognuno dei due dispositivi, è stato sviluppato un modello ottico per valutare l’efficienza ottica di concentrazione e la distribuzione del flusso concentrato sul ricevitore. Le prove sperimentali per entrambi i ricevitori sono state condotte utilizzando come fluido operativo acqua in deflusso bifase per avere una caratterizzazione preliminare dell’intero sidtema. Le prestazioni a media temperatura del ricevitore termico considerando uno scambio termico bifase in vaporizzazione all’interno dei minicanali sono state valutate in modo attraverso un modello numerico.