"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"

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.

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.