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Mancin, Simone (2009) "Scambio termico e fluidodinamica durante i deflussi bifase e monofase su superfici estese e in microgeometrie"
"Two-phase and single-phase heat transfer and fluid flow through enhanced surfaces and in microgeometries".
[Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

The heat transfer between two fluids or between a fluid and a surface, during both single-phase and two-phase flow, is intimately linked to the geometrical characteristic of the heat transfer surface involved. Generally speaking, if the heat transfer area increases, the global heat transfer also increases, but if the surface is developed to improve heat transfer, the overall performance can be higher.
Compact and efficient heat exchangers and heat sinks are more and more demanded for electronics cooling applications, refrigeration and air conditioning systems. For this reason, the development of new enhanced surfaces is a critical issue of thermal research.
In this Ph. D. thesis, two arguments connected with enhanced heat transfer surfaces have been experimentally and analytically studied. In particular, the condensation of R410A inside a microfin tube and air forced convection through different enhanced surfaces have been analysed.
With respect to two-phase flow, the heat transfer coefficients and the pressure drops during the condensation of R410A at 40 °C of saturation temperature inside a microfin tube have been measured. The experimental analysis have been carried out at the Dipartimento di Fisica Tecnica of the University of Padova.
Using a database of 4000 experimental data points, a new correlation for the computation of the heat transfer coefficient during the condensation of several natural and synthetic refrigerants inside different enhanced microfinned tubes has been developed.
With respect to single-phase flow, a new experimental test rig has been developed, designed and built at the laboratory of the Dipartimento di Fisica Tecnica of the University of Padova. This test rig allows to carry out accurate heat transfer and pressure drop measurements during air forced convection through different enhanced surfaces, such as traditional finned surfaces, metal foams and microgeometries, etc.
The apparatus has been calibrated by testing a traditional finned surface for electronics cooling applications. Then, the heat transfer coefficients and the pressure drops during air forced convection through five different aluminum foams have been measured. All tested samples have been heated by imposing different heat fluxes, which have been varied between 150 W and 400 W. The experimental results have been compared with those obtained for the traditional finned surface.

Abstract (italiano)

Lo scambio termico tra due fluidi o tra un fluido e una superficie, sia esso monofase o bifase, è profondamente legato alle caratteristiche geometriche delle superfici di scambio con le quali i fluidi stessi sono in contatto. Aumentare la superficie di scambio termico significa, in generale, incrementare lo scambio termico globale. Se poi questa superficie viene sviluppata per migliorare l’efficienza dello scambio termico, le prestazioni possono crescere ulteriormente. Il raffreddamento di componenti elettronici, la refrigerazione e il condizionamento dell’aria richiedono scambiatori di calore sempre più efficienti e compatti, pertanto lo sviluppo di nuove superfici di scambio termico risulta essere un obiettivo fondamentale della ricerca.
In questo lavoro di tesi sono stati affrontati, sia sperimentalmente che analiticamente, due argomenti connessi allo scambio termico su superfici estese. In particolare, si sono studiati la condensazione all’interno di tubi micro-alettati e la convezione forzata di aria su schiume metalliche e su superfici alettate tradizionali. Per quanto riguarda lo scambio termico bifase, sono stati misurati i coefficienti di scambio termico e le perdite di carico durante la condensazione di R410A all’interno di un tubo micro-alettato, alla temperatura di saturazione di 40 °C. Le prove sono state realizzate utilizzando l’impianto presente presso il Dipartimento di Fisica Tecnica dell’Università di Padova.
Successivamente, utilizzando un database contenente più di 4000 dati sperimentali, è stato sviluppato un nuovo modello per la stima del coefficiente di scambio termico durante la condensazione di refrigeranti naturali e sintetici all’interno di tubi micro-alettati.
Con riferimento allo scambio termico monofase, un nuovo impianto sperimentale è stato sviluppato, progettato e costruito presso il Dipartimento di Fisica Tecnica dell’Università di Padova. Questo apparato permette di eseguire accurate misure di scambio termico e perdite di carico durante la convezione forzata di aria attraverso superfici estese, quali tradizionali superfici alettate, schiume metalliche, microgeometrie, ecc. L’impianto sperimentale è stato calibrato testando una superficie alettata tradizionale per il raffreddamento di componenti elettronici. Successivamente, sono stati misurati i coefficienti di scambio e le perdite di carico di cinque schiume di alluminio durante il deflusso di aria. Tutti i provini sono stati riscaldati elettricamente imponendo differenti flussi temici tra 150 W e 400 W. I risultati sperimentali sono stati confrontati con quelli ottenuti per la superficie alettata tradizionale.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Luisa, Rossetto
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 21 > Scuole per il 21simo ciclo > INGEGNERIA INDUSTRIALE > FISICA TECNICA
Data di deposito della tesi:29 Gennaio 2009
Anno di Pubblicazione:2009
Parole chiave (italiano / inglese):Heat Transfer Condensation Air Electronic Cooling Microfin tube
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/10 Fisica tecnica industriale
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Fisica Tecnica
Codice ID:1700
Depositato il:29 Gen 2009
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Bibliografia

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Dipartimento di Fisica Tecnica, Cerca con Google

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CONCLUSIONS Cerca con Google

This Ph. D. thesis, in which single-phase and two-phase flow through enhanced heat transfer Cerca con Google

surfaces have been experimentally studied and analyzed, consists of two separate parts. Cerca con Google

Therefore, the most important issues highlighted with respect to each argument are pointed Cerca con Google

out at the end of the related chapter. Here, some final remarks will be made, aiming at giving Cerca con Google

some hints for future possible research works. Cerca con Google

The experimental work concerning two-phase flow has involved the condensation of R410A, Cerca con Google

a halogenated refrigerant, inside a microfin tube. The condensation heat transfer coefficients Cerca con Google

and the pressure drops at a saturation temperature of 40 °C have been measured under a wide Cerca con Google

range of operating conditions. A large number of experimental heat transfer coefficients for Cerca con Google

the condensation of different synthetic and natural refrigerants inside microfin tubes have Cerca con Google

been selected from the open literature and collected to complete a database of around 4000 Cerca con Google

experimental measures. After that, a model for the computation of the heat transfer coefficient Cerca con Google

during condensation inside micro-finned tubes has been developed and validated against the Cerca con Google

experimental database. Cerca con Google

Considering the importance of environmental issues, other experimental campaigns are Cerca con Google

needed to characterize the condensation heat transfer properties of other refrigerants, for Cerca con Google

validating and improving the proposed model. Cerca con Google

The experimental work concerning single-phase flow has involved the design, development Cerca con Google

and building of a new test facility for the thermal-fluid-dynamic characterization of several Cerca con Google

different enhanced surfaces and microgeometries during air forced convection. This Cerca con Google

experimental test rig has been designed to allow the study and development of new enhanced Cerca con Google

heat transfer surfaces for electronic cooling applications able to overcome the thermal limits Cerca con Google

of air cooling. Cerca con Google

The new facility has been tested characterizing a traditional finned surface. The experimental Cerca con Google

heat transfer coefficients and the pressure drops measured during single-phase air forced Cerca con Google

convection were repeatable. These results have confirmed the reliability of the new Cerca con Google

experimental set-up. Subsequently, five aluminum metal foams, a new class of enhanced Cerca con Google

Simone Mancin Cerca con Google

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surfaces, have been tested. In this Ph. D. thesis their heat transfer coefficients and the pressure Cerca con Google

drops measured during air forced convection have been presented and analysed. Cerca con Google

According to the experimental results, during single-phase air heat transfer metal foams Cerca con Google

exhibit interesting heat transfer properties but, on the other hand, they are also characterized Cerca con Google

by high pressure losses. These stochastic materials appear to be suitable for electronics Cerca con Google

cooling systems when high air pressure loads are available. Cerca con Google

More experimental work is needed to completely understand the thermal-fluid-dynamic Cerca con Google

behaviour of these new enhanced surfaces, in order to define the best design parameters. As a Cerca con Google

consequence, considering possible future work in this field, other metal foams of different Cerca con Google

thicknesses may be tested to fully characterize their thermal behaviour. The collected results Cerca con Google

could be used to develop new simple heat transfer correlations which can lead to the design of Cerca con Google

efficient heat sinks for advanced electronics cooling systems. Cerca con Google

Acknowledgements Cerca con Google

The support of the University of Padova, through the project CPDA044932, and of MIUR, Cerca con Google

through the PRIN Project 2007TALBHJ_003, are gratefully acknowledged. Cerca con Google

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