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

Two-phase heat transfer is widely encountered in minichannels heat exchangers such as air-cooled condensers and evaporators for automotive, compact devices for electronic cooling, aluminum condenser for air-conditioning applications, loop heat pipes and capillary pumped loops for space applications. Nowadays there is also an increasing interest on new refrigerants, pure and blended, with a low-GWP. This thesis aims at studying the physical phenomena of condensation by investigating the effect of gravity inside small channels, presenting an experimental analysis during normal gravity and microgravity conditions. Another objective of this thesis is to analyze the two-phase heat transfer performance of non-azeotropic mixtures, with low-GWP, in minichannels. Regarding mixtures the work focused not only on condensation heat transfer but also on flow boiling and two phase pressure drop. In the first part of this thesis the design and the realization of a new test section to study the effect of gravity during convective condensation is presented. The new test section has an internal diameter of 3.38 mm and it allows to measure quasi-local heat transfer coefficients and to visualize the flow pattern. Quasi-local heat transfer coefficients measured on ground during condensation of R134a at 40°C and mass velocities between 50 and 200 kg m-2 s-1 are presented. The flow patterns visualized are compared with flow pattern maps available in the literature and the experimental heat transfer coefficients with different models for condensation. The new test section has been also used to study convective condensation in microgravity conditions during the 62nd ESA Parabolic Flight Campaign. This has been one of the first attempts to perform heat transfer coefficients measurements and flow pattern visualizations on normal gravity and microgravity conditions during convective condensation inside tubes. The deep connection between gravity effect and flow pattern are shown in the images. Regarding on-ground applications, in the recent years much attention has been paid to the possible use of fluorinated propene isomers for the substitution of HFC fluids being in most cases high-GWP refrigerants. However, the available HFOs (hydrofluoroolefins) cannot cover all the air-conditioning, heat pump, and refrigeration systems when used as pure fluids because their thermodynamic properties are not suitable for all operating conditions; therefore some solutions may be found using blends of refrigerants, to satisfy the demand for a wide range of working conditions. The second part of this thesis presents an experimental study of the two-phase heat transfer for a R32/R1234ze(E) non-azeotropic mixture, at different mass compositions, inside a 0.96 mm inner diameter minichannel. As first step, frictional pressure gradient during adiabatic two-phase flow has been investigated. The experimental data are also compared with several models available in the literature. Local heat transfer coefficients have been then measured during condensation of the R32/R1234ze(E) mixture at three different mass compositions (23/77%, 46/54 and 75/25% by mass). The new experimental data are compared to those of pure R1234ze(E) and R32. This allows to analyze the heat transfer penalization due to the mass transfer resistance occurring during condensation of this zeotropic mixture and to assess about suitable predicting models. The present work reports also the local heat transfer coefficient measured during flow boiling of the R32/R1234ze(E) mixture (50/50% by mass) at a pressure of 14 bar, which corresponds to a bubble temperature of 26.2 °C. The flow boiling data, taken in the 0.96 mm minichannel, are discussed with particular regard to the mass transfer mechanism. The new experimental data are also compared to flow boiling data of pure R1234ze(E) and pure R32. This flow boiling database, encompassing more than 300 experimental points at different values of mass velocity, heat flux and vapor quality, is compared with available correlations in the literature. The introduction of a correction to account for the additional mass transfer resistance is discussed and such correction is found to be necessary and proper to provide a correct sizing of the evaporator.

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.