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

This thesis reports the results of many experimental tests conducted to gain a deeper insight on the two-phase heat transfer inside minichannels and to characterize the thermal performance of two refrigerants with low environmental impact: propane (R290) and R1234ze(E). Furthermore, some considerations on the application of the minichannel technology in refrigeration applications and solar concentrators are presented. As pressure drops greatly affect the heat transfer in two-phase flow, the experimental investigation on frictional pressure gradient during adiabatic flow of R134a, R1234ze(E) and propane (R290) at different mass velocities and at saturation temperatures between 30°C and 50°C has been conducted in two single copper minichannels with a circular cross section and hydraulic diameters of 0.96 mm and 2 mm. The experimental points are compared with several models available in the open literature. Heat transfer coefficients have been experimentally measured during the condensation at 40°C and during the vaporization at 31°C of R1234ze(E) and propane at different mass velocities inside a single circular cross section minichannel with an internal diameter of 0.96 mm. During the test runs, the refrigerant exchanges heat with a secondary fluid, that is distilled water, so the local heat flux is not constant along the measuring section and its accurate calculation becomes the main issue. An assessment of several predicting correlations has been presented for predicting the heat transfer coefficient both in condensation and in vaporization. The condensation process inside minichannels depends on the relative importance of shear stress, gravity and surface tension, especially in presence of corners in the cross section shape. Nevertheless, few studies concern the effect of inclination. In this work, the effect of the channel orientation has been experimentally analyzed and discussed during the condensation of R134a and R32 at 40°C saturation temperature inside a single square cross section minichannel with a hydraulic diameter equal to 1.23 mm. Several configurations of the test section from vertical upward flow to vertical downward flow have been examined. When considering the application of the minichannel technology in refrigeration, a general methodology to evaluate the potential heat transfer performance of refrigerants during in-tube condensation is a powerful tool to optimize the performance and the design of heat exchangers. The Performance Evaluation Criteria (PEC) named Penalty Factor for condensation (PF) and Total Temperature Penalization on the refrigerant side (TTP) are applied to rank several refrigerants starting from an experimental database collected in a single circular minichannel with internal diameter of 0.96 mm at the Two-Phase Heat Transfer Lab at the University of Padova. In electronics, the minichannel technology has proved to be reliable and effective in removing high heat fluxes through small heat transfer areas. This feature has suggested to use minichannel-based receivers for solar concentration systems. In this work, a parabolic trough linear solar concentrator is described and tested using two different minichannel-based receivers: a concentrating hybrid photovoltaic thermal (CPVT) receiver for the cogeneration of electrical energy and heat and a thermal receiver with a selective coating for the generation of heat in the medium temperature range. An optical modeling has been developed for the two cases in order to assess the optical efficiency and the flux distribution on the receiver. Tests with both the receivers have been performed using water in single-phase flow as working fluid in order to get a preliminary characterization of the whole system. The performance of the thermal receiver at medium temperature (up to 150°C) when two-phase heat transfer is realized inside the channels has been evaluated through a numerical model.

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.