Studio sperimentale della condensazione durante deflusso di propilene in un tubo orizzontale

Flow condensation is a very widely spread physical process, used in condensers adopted for several applications like heat pumps, air conditioning systems, and the chemical industry. The urge of the refrigeration industry to find alternative refrigerants to HFC, characterized by null ODP but too high GWP, makes the study of hydrocarbons for inverse cycle applications very important. The goal of the present work is to study flow condensation of propylene inside a horizontal smooth tube. Flow condensation is a very complex heat transfer mechanism that currently, cannot be described by analytical equations. Therefore, experimental analysis becomes an important tool to validate the correlations presented in the literature. The present experimental work has been conducted exploiting an industrial scale test rig, KIIR, that allows to set the thermodynamics conditions at the inlet of the test section, where partial condensation occurs. The test section consists in a tube-shell-heat exchanger. Propylene is cooled down by an oil in counter-current flow configuration. The test tube has been equipped with temperature sensors and installed in the experimental apparatus and the measurement plan has been conducted. Each test has been executed under constant operating conditions in terms of pressure p, mass flux G and vapor quality x. The analysis of the local experimental results has allowed to observe the dependency of the heat transfer coefficient α on the radial position ϕ of the test tube. Specifically, under test conditions associated with the occurrence of stratified flow, the heat transfer coefficient α varies considerably as function of the radial position ϕ. Under the conditions associated with high turbulence and annular flow, the heat transfer coefficient α is approximately constant as function of the radial position ϕ. Because of the uncertainties of the experimental set up, these observations were clearer under the test conditions in which the average temperature difference between the test substance and the cooling oil was higher. Moreover, it was observed that the overall heat transfer coefficient α increases as the mass flux G increases. In the same way, it was possible to observe that the overall heat transfer coefficient α decreases as the pressure p increases. By comparing the results regarding overall heat transfer and pressure drops, it was verified that a high heat transfer coefficient is always coupled with a high value of pressure drops.

La condensazione durante deflusso è un processo fisico molto diffuso, utilizzato nei condensatori adottati per diverse applicazioni come pompe di calore, impianti di condizionamento e nell’industria chimica. L'esigenza dell'industria della refrigerazione di trovare refrigeranti alternativi a HFC, caratterizzati da un ODP quasi nullo ma da un GWP troppo elevato, rende molto importante lo studio degli idrocarburi per le applicazioni a ciclo inverso. L'obiettivo del presente lavoro è studiare la condensazione del flusso di propilene all'interno di un tubo orizzontale liscio. La condensazione in flusso è un meccanismo di trasferimento del calore molto complesso che attualmente non può essere descritto da equazioni analitiche. Pertanto, l'analisi sperimentale diventa uno strumento importante per convalidare le correlazioni presentate in letteratura. Il lavoro sperimentale è stato condotto sfruttando un impianto di prova su scala industriale, il KIIR, che consente di impostare le condizioni termodinamiche all'ingresso della sezione di prova, dove avviene la condensazione parziale. La sezione di prova consiste in uno scambiatore di calore a fascio tubiero. Il propilene viene raffreddato da un olio in configurazione di flusso controcorrente. Il tubo sperimentale è stato dotato di sensori di temperatura e installato all’interno dell'apparato sperimentale. Ciascun test è stato eseguito in condizioni operative costanti in termini di pressione p, flusso di massa G e titolo di vapore x. L'analisi dei risultati a livello locale ha permesso di dimostrare la dipendenza del coefficiente di trasferimento di calore α dalla posizione radiale ϕ del tubo. In particolare, nelle condizioni di prova associate al verificarsi di un flusso stratificato, il coefficiente di trasferimento di calore α varia notevolmente in funzione della posizione radiale ϕ. Nelle condizioni di alta turbolenza e flusso anulare, il coefficiente di trasferimento di calore α è approssimativamente costante in funzione della posizione radiale ϕ. A causa delle incertezze del set-up sperimentale, queste osservazioni sono state più chiare nelle condizioni di prova in cui la differenza di temperatura media tra la sostanza in esame e l'olio di raffreddamento era più elevata. Inoltre, è stato possibile verificare sperimentalmente che il coefficiente di trasferimento del calore α aumenta all'aumentare del flusso di massa G. Allo stesso modo, è stato possibile verificare che il coefficiente di trasferimento di calore α diminuisce con l'aumento della pressione p. Confrontando i risultati relativi al trasferimento di calore complessivo e alle perdite di carico, si è dedotto che un elevato coefficiente di trasferimento di calore è sempre abbinato a un alto valore di perdite di carico.