Investigation on a brazed plate heat exchanger evaporator in a low-charge R600a heat pump system

This thesis investigates the brazed-plate evaporator of a low-charge R600a heat-pump unit using system-level experimental data. Because no direct refrigerant mass-flow meter was available, refrigerant mass flow was inferred from heat balances, and operating points were screened for energy-balance consistency before heat-transfer results were interpreted. Evaporator performance was evaluated with a two-zone effective-LMTD method, separating boiling and outlet superheating in the data reduction. The main result is the global heat-transfer coefficient, K_global, referenced to the total evaporator area. Across the accepted operating map, K_globalvaried systematically with saturation temperature and outlet superheat. This is interpreted as an overall operating-map trend, not as a direct local boiling-HTC dependence. The evaporator was boiling-dominated in heat-duty terms, but the heat-duty split was not treated as an area split. An effective refrigerant-side coefficient, h_(ref,eff), was inferred by subtracting estimated water/brine-side and wall resistances from the global resistance. This quantity is not a directly measured local boiling coefficient. Literature correlations, including Amalfi et al., were used only as order-of-magnitude comparisons. Infrared thermography at one steady operating point showed axial surface-temperature non-uniformity on the visible evaporator face. This supports the two-region interpretation qualitatively, but it is not interpreted as a measurement of the internal x=1location, dryout position, or area fraction. The work provides a defensible system-level reduction method for low-charge R600a BPHE evaporators and highlights the need for correlations validated in this low-mass-flux regime.

Questa tesi analizza l’evaporatore a piastre brasate di un’unità a pompa di calore a bassa carica di R600a, utilizzando dati sperimentali a livello di sistema. Poiché non era disponibile un misuratore diretto della portata massica del refrigerante, la portata massica del refrigerante è stata ricavata mediante bilanci termici, e i punti operativi sono stati selezionati in base alla coerenza del bilancio energetico prima di interpretare i risultati relativi allo scambio termico. Le prestazioni dell’evaporatore sono state valutate mediante un metodo LMTD efficace a due zone, separando l’ebollizione e il surriscaldamento in uscita nella riduzione dei dati. Il risultato principale è il coefficiente globale di scambio termico, K_global, riferito all’area totale dell’evaporatore. All’interno della mappa operativa accettata, K_global varia in modo sistematico con la temperatura di saturazione e il surriscaldamento in uscita. Questo andamento è interpretato come una tendenza complessiva della mappa operativa, e non come una dipendenza diretta del coefficiente locale di scambio termico in ebollizione. In termini di carico termico, l’evaporatore risulta dominato dall’ebollizione, ma la ripartizione del carico termico non è stata trattata come una ripartizione dell’area. Un coefficiente efficace lato refrigerante, h_(ref,eff), è stato stimato sottraendo dalla resistenza termica globale le resistenze stimate lato acqua/brina e della parete. Questa grandezza non rappresenta un coefficiente locale di ebollizione misurato direttamente. Le correlazioni presenti in letteratura, incluse quelle di Amalfi et al., sono state utilizzate solo come confronti di ordine di grandezza. La termografia a infrarossi, eseguita in un punto operativo stazionario, ha mostrato una non uniformità assiale della temperatura superficiale sulla faccia visibile dell’evaporatore. Questo risultato supporta qualitativamente l’interpretazione a due regioni, ma non viene interpretato come una misura della posizione interna x = 1, della posizione di dryout o della frazione di area. Il lavoro fornisce un metodo di riduzione dei dati a livello di sistema difendibile per evaporatori BPHE a bassa carica di R600a e mette in evidenza la necessità di correlazioni validate in questo regime di basso flusso di massa.