Analisi sperimentale e modellazione numerica della condensazione a gocce

Condensation is a phase change process that is often found in nature and is also exploited in multiple engineering applications such as thermal power plants, chemical refining, seawater desalination, refrigeration, and electronics cooling. It is known that promoting dropwise condensation (DWC) instead of traditional filmwise condensation (FWC) is a passive solution to improve two-phase heat transfer. Dropwise condensation on metals is usually achieved by applying hydrophobic coatings. The advantage given by the use of engineered surfaces during the condensation of pure vapor is known, while the possible advantage provided by the promotion of DWC in the presence of non-condensable gases (as in the case of humid air) has not yet been sufficiently studied. Although the theoretical study of DWC began in the first half of the last century, there is still no model capable of accurately describing all the phenomena involved during DWC. This gap is due to the difficulty of describing the multiple simultaneous processes that coexist on different temporal (from 1 μs to 1 s) and spatial (from nanometers to millimeters) scales. This work is divided into two main parts. The first is centered on experimental measurements of heat transfer during DWC with pure steam and in the presence of humid air. The second part is focused on the numerical modeling of the processes involved during the DWC. Surfaces of different wettability were tested during the condensation of both pure steam and humid air, evaluating the effects of surface wettability on the two-phase heat exchange under different experimental conditions. Furthermore, the distribution of the droplets and the heat exchange were investigated through numerical simulations. The research activity was mainly carried out at the Two-Phase Thermal Exchange Laboratory (University of Padua, Department of Industrial Engineering) with the collaboration of the research group NANOENG - Engineering of nanomaterials for the development and characterization of substrates. The last part of the research activity was carried out in the LAPLACE laboratory of the Paul Sabatier University of Toulouse (FR) by investigating the number and distribution of nucleation sites during the condensation of pure steam using interferometric measurement techniques. This thesis is divided into six chapters. The first chapter is dedicated to a brief review of the literature on surface wettability and dropwise condensation. The second chapter summarizes the most important models that aim to describe the droplet distribution and heat transfer during DWC both in the presence of humid air and saturated steam. The third chapter presents the measurements of heat transfer and droplet population obtained during the condensation of pure water vapor. The effect of steam velocity on the DWC phenomenon was also investigated. The fourth chapter is focused on the experimental study of condensation in the presence of humid air focusing on the study of heat exchange during DWC in the presence of NCGs. In addition to the heat transfer measurements, videos of the condensation process with the detection of droplets down to a few microns were acquired in order to obtain information on the droplet population and the density of the nucleation sites. In the fifth chapter, a new model developed in hybrid MATLAB® and C code is presented, based on parallel computation and which can be used to simulate the droplet condensation process. In the last chapter, a methodology is proposed for the study of the density of the nucleation sites during the droplet condensation of pure vapor on a coated aluminum surface. The determination of the nucleation sites is performed with interferometric techniques.

La condensazione è un processo di cambiamento di fase che si trova spesso in natura ed è anche sfruttato in molteplici applicazioni ingegneristiche come centrali termiche, raffinazione chimica, desalinizzazione dell'acqua di mare, refrigerazione e raffreddamento dell'elettronica. È noto che promuovere la condensazione goccia a goccia (DWC) invece della tradizionale condensazione a film (FWC) è una soluzione passiva per migliorare il trasferimento di calore bifase. La condensazione goccia a goccia sui metalli si ottiene solitamente mediante l'applicazione di rivestimenti idrofobici. È noto il vantaggio dato dall'utilizzo di superfici ingegnerizzate durante la condensazione di vapore puro, mentre non è ancora stato sufficientemente studiato. Sebbene lo studio teorico del DWC sia iniziato nella prima metà del secolo scorso, non esiste ancora un modello in grado di descrivere con precisione tutti i fenomeni coinvolti durante il DWC. Questo divario è dovuto alla difficoltà di descrivere i molteplici processi simultanei che coesistono su diverse scale temporali (da 1 μs a 1 s) e spaziali (dai nanometri ai millimetri). Questo lavoro è diviso in due parti principali. Il primo è incentrato su misure sperimentali di scambio termico durante DWC con vapore puro e in presenza di aria umida. La seconda parte è incentrata sulla modellazione numerica dei processi coinvolti durante il DWC. Superfici di diversa bagnabilità sono state testate durante la condensazione sia di vapore puro che di aria umida, valutando gli effetti della bagnabilità superficiale sullo scambio termico bifase in diverse condizioni sperimentali. Inoltre, la distribuzione delle goccioline e lo scambio termico sono stati studiati attraverso simulazioni numeriche. L'attività di ricerca è stata svolta principalmente presso il Laboratorio Scambi Termici Bifase (Università di Padova, Dipartimento di Ingegneria Industriale) con la collaborazione del gruppo di ricerca NANOENG - Ingegneria dei nanomateriali per lo sviluppo e la caratterizzazione dei substrati. L'ultima parte dell'attività di ricerca è stata svolta presso il laboratorio LAPLACE dell'Università Paul Sabatier di Tolosa (FR) indagando il numero e la distribuzione dei siti di nucleazione durante la condensazione del vapore puro mediante tecniche di misura interferometriche. Questa tesi è suddivisa in sei capitoli. Il primo capitolo è dedicato ad una breve rassegna della letteratura sulla bagnabilità superficiale e la condensazione goccia a goccia. Il secondo capitolo riassume i modelli più importanti che mirano a descrivere la distribuzione delle goccioline e il trasferimento di calore durante il DWC sia in presenza di aria umida che di vapore saturo. Il terzo capitolo presenta le misure del trasferimento di calore e della popolazione di goccioline ottenute durante la condensazione del vapore acqueo puro. È stato anche studiato l'effetto della velocità del vapore sul fenomeno DWC. Il quarto capitolo è incentrato sullo studio sperimentale della condensazione in presenza di aria umida concentrandosi sullo studio dello scambio termico durante DWC in presenza di NCG. Oltre alle misure di scambio termico, sono stati acquisiti video del processo di condensazione con il rilevamento di goccioline fino a pochi micron per ottenere informazioni sulla popolazione di goccioline e sulla densità dei siti di nucleazione. Nel quinto capitolo viene presentato un nuovo modello sviluppato in MATLAB® ibrido e codice C, basato sul calcolo parallelo e che può essere utilizzato per simulare il processo di condensazione delle goccioline. Nell'ultimo capitolo viene proposta una metodologia per lo studio della densità dei siti di nucleazione durante la condensazione di goccioline di vapore puro su una superficie rivestita di alluminio. La determinazione dei siti di nucleazione viene eseguita con tecniche interferometriche.