Experimental study of phase change heat transfer in minichannels for ground and space applications

Lo scambio termico bifase in minicanali è utilizzato in diverse applicazioni come ad esempio, condensatori ed evaporatori ad aria nel settore automobilistico, sistemi compatti per il raffreddamento di elettronica, condensatori in alluminio per applicazioni di climatizzazione, tubi di calore per applicazioni spaziali. In più oggi c'è un crescente interesse verso i nuovi fluidi, puri e in miscela, con basso GWP. Questo lavoro di tesi si propone di studiare i fenomeni fisici dello scambio termico in condensazione indagando l'effetto della gravità all'interno di canali con piccolo diametro, presentando un'analisi sperimentale in condizioni di gravità normale e di microgravità. Un altro obiettivo di questa tesi è quello di analizzare le prestazioni di miscele non azeotropiche, a basso GWP, durante lo scambio termico bifase in minicanali. Per quanto riguarda le miscele si analizzerà sperimentalmente non solo lo scambio termico durante la condensazione ma anche la vaporizzazione e le cadute di pressione bifase. Nella prima parte di questa tesi viene presentata la progettazione e la realizzazione di una nuova sezione sperimentale per studiare l'effetto della gravità durante lo scambio termico in condensazione. La nuova sezione di prova ha un diametro interno di 3.38 mm e permette di misurare i coefficienti di scambio termico quasi-locali e di visualizzare il regime di deflusso. I coefficienti di scambio termico in condensazione sono stati misurati con R134a alla temperatura di saturazione di 40 °C e per portate specifiche tra 50 e 200 kg m-2 s-1. I regimi di deflusso visualizzati sono stati confrontati con quelli predetti dalle mappe di deflusso disponibili in letteratura e i coefficienti di scambio termico sperimentali con modelli sviluppati per la condensazione. La nuova sezione sperimentale è stata utilizzata anche durante la 62° Campagna di Volo Parabolico di ESA per studiare lo scambio termico in condensazione in condizioni di microgravità. Questo studio è uno dei primi tentativi di effettuare misure dei coefficienti di scambio termico e visualizzazioni dei regimi di flusso in condizioni di gravità normale e di microgravità durante la condensazione all'interno di tubi. Il legame profondo tra effetto della gravità e regime di flusso è analizzato servendosi delle immagini acquisite. Per quanto riguarda le applicazioni terrestri, negli ultimi anni molto interesse si è sviluppato intorno al possibile utilizzo di isomeri fluorurati del propene per la sostituzione di fluidi HFC (idrofluorocarburi) che nella maggior parte dei casi sono ad alto GWP. Tuttavia gli HFO (idrofluoroolefine) disponibili non possono coprire tutte le applicazioni di climatizzazione, pompe di calore e sistemi di refrigerazione quando vengono utilizzati come fluidi puri perché le loro proprietà termodinamiche non sono adatte a tutte le condizioni operative; quindi una soluzione è quella di utilizzarli in miscela con altri refrigeranti. La seconda parte di questa tesi presenta uno studio sperimentale dello scambio termico bifase per una miscela non azeotropica di R32/R1234ze(E), a diverse composizioni di massa, all'interno di un minicanale con diametro interno di 0.96 mm. Come primo passo si sono studiate le cadute di pressione durante il deflusso adiabatico bifase. I dati sperimentali sono stati confrontati con diversi modelli disponibili in letteratura. Successivamente i coefficienti locali di scambio termico in condensazione sono stati misurati per la miscela R32/R1234ze(E) a tre diverse composizioni di massa (23/77%, 46/54 e 75/25%). I nuovi dati sperimentali sono confrontati con quelli dei componenti puri R1234ze(E) e R32. Questo ha permesso di analizzare la penalizzazione introdotta dalla resistenza al trasporto di massa e di valutare i modelli teorici in grado di predirla. In seguito vengono anche presentati i coefficienti di scambio termico misurati durante la vaporizzazione convettiva della miscela R32/R1234ze(E) (composizione 50/50%) ad una pressione di 14 bar, corrispondente ad una temperatura di bolla di 26.2 °C. I risultati sperimentali, ricavati nel minicanale di diametro 0.96 mm, sono stati discussi con particolare riguardo al meccanismo di trasporto di massa e successivamente confrontati con quelli dei fluidi puri R1234ze(E) e R32. I nuovi dati, più di 300 punti sperimentali a differenti valori di portata specifica, flusso termico e titolo di vapore, sono stati confrontati con le correlazioni disponibili in letteratura. L'introduzione di una correzione per tenere conto dell'ulteriore resistenza al trasporto di massa è stata discussa e risulta essere necessaria per un corretto dimensionamento degli evaporatori.