THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF ENHANCED HEAT EXCHANGERS FOR AIR CONDITIONING APPLICATIONS

Al giorno d’oggi vi è un crescente interesse all’uso di diverse tecniche per il miglioramento delle prestazioni termiche degli scambiatori di calore e alla progettazione ottimale di sistemi energetici. Questo lavoro si concentra sullo studio di scambiatori di calore che utilizzano superfici estese per aumentare il coefficiente di scambio termico e l'area di scambio per unità acqua-aria, refrigerante-aria ed acqua-refrigerante. Questo lavoro è stato possibile grazie al sostegno finanziario di Eurapo S.r.l. La presente tesi è divisa in cinque Capitoli. Il primo Capitolo presenta l'attività sperimentale eseguita nel laboratorio di Eurapo S.r.l. su uno scambiatore di calore alettato acqua/aria con tre ranghi e 12 tubi per rango con l’obiettivo di determinarne le prestazioni. Questo scambiatore è stato testato variando le condizioni di ingresso di acqua e aria, simulando le condizioni di lavoro in inverno (solo trasferimento di calore sensibile) e in estate (trasferimento di calore sensibile e latente sul lato aria in presenza di deumidificazione). Inoltre, la stessa unità è stata testata con tre differenti angoli di inclinazione rispetto alla direzione del flusso d'aria, al fine di studiare l'effetto di inclinazione sulle prestazioni termiche in dispositivi quali i ventilconvettori. Le stesse condizioni sono state testate anche in un tunnel entalpico, che ha permesso la misura della portata volumetrica d’aria durante lo scambio termico. Ciò è particolarmente interessante per comprendere l'influenza della portata di condensato e dell’inclinazione sulla caduta di pressione nella batteria alettata, che si riflette nella portata massica di aria e nella portata totale di calore scambiato. Il secondo Capitolo riporta l'attività sperimentale effettuata per indagare le prestazioni di scambiatori a minicanali in alluminio usati come evaporatori e condensatori. Uno speciale prototipo è stato progettato, costruito e strumentato per misurare la caduta di pressione e il coefficiente di scambio termico quasi-locale durante il deflusso monofase e bifase con diversi fluidi a basso potenziale di riscaldamento globale (GWP) come R32 e R1234ze (E). Questa sezione di prova può essere considerata come un modulo di uno scambiatore di calore bar-and-plate, che è una soluzione innovativa per applicazioni di condizionamento. I risultati di tali misurazioni sono state confrontate con la previsione di numerose correlazioni presenti in letteratura. Nel terzo Capitolo, è stato sviluppato un modello in Matlab® per valutare le prestazioni termiche di scambiatori di calore a tubi alettati che operano con acqua interna ed aria esterna. Il modello divide lo scambiatore in diversi elementi che rappresentano un piccolo tratto di tubo con le corrispondenti alette, ed è in grado di simulare diverse circuitazioni, con e senza deumidificazione. I coefficienti di scambio termico lato acqua e lato aria vengono calcolati rispettivamente con due e otto correlazioni differenti. Utilizzando i dati sperimentali ottenuti durante l'attività descritta nel primo capitolo, è stato possibile valutare le correlazioni che meglio predicono il coefficiente di scambio termico nella batteria alettata. Il quarto Capitolo mostra un modello numerico sviluppato per evaporatori a batteria alettata. Questo simula il comportamento di scambiatori di calore a tubi alettati operanti con un fluido frigorigeno che evapora all'interno dei tubi. Questo permette di valutare le prestazioni di sistemi di deumidificazione con macchina a ciclo inverso. L'ultimo Capitolo riporta i modelli numerici sviluppati in Matlab® per simulare le prestazioni di scambiatori di calore tipo bar-and-plate utilizzati come evaporatori e condensatori in dispositivi refrigerante/acqua. L'analisi sperimentale riportata nel secondo Capitolo ha permesso di scegliere le migliori correlazioni predittive, mentre i risultati delle prove sperimentali effettuate su sistemi ad espansione diretta in un laboratorio differente sono utilizzati per convalidare i modelli.