Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie mécanique, Institut des sciences de l'énergie ISE (Laboratoire de transfert de chaleur et de masse LTCM)

Falling film evaporation on a single tube and on a tube bundle

Roques, Jean-François ; Thome, John Richard (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 2987.

Add to personal list
    Summary
    This study is a contribution for the improvement of horizontal falling film heat exchangers. This type of evaporator has the potential to be widely used in the petrochemical industry, for the sea water desalination, or in the large refrigeration systems. An experimental test facility has been constructed in order to study the evaporation of the liquid refrigerant R-134a flowing on a vertical array of horizontal copper tubes with a length of 0.55 meter and a diameter of 19.1mm. Special care has been taken to achieve uniform liquid distribution along the top tube. Four types of tubes were tested including a plain tube, two tubes with mechanically enhanced boiling surfaces (Turbo-BII HP and Gewa-B) and a porous coated tube (High-Flux). Tube arrays with three different tube pitches were tested. Measurements were performed at three different nominal heat flux levels over a wide range of liquid overfeed. For comparison, heat transfer coefficients in pool boiling conditions were measured. The experimental parameters are the following: the liquid film Reynolds numbers from 0 to 3000, heat fluxes between 20 and 60kW/m2 and tube pitches from 22.3 and 25.5mm. The heat transfer coefficients have been measured locally at the mid point of each of the ten tubes. The study shows that there are two types of fundamental behavior characterized by a particular film Reynolds number: Over a threshold value of this Reynolds number, the nucleate boiling in the film governs the heat transfer and this heat transfer coefficient is independent of the Reynolds number. Below this threshold value, the heat transfer coefficients drop drastically due to the formation of local dry patches. The heat transfer coefficient during falling film evaporation was found to be approximately 1.3 times larger than the heat transfer coefficient during pool boiling and this multiplier was found to be dependant on the heat flux and tube spacing but not the flow mode. Finally, the understanding of the physical phenomena governing the falling film evaporation of liquid refrigerants has been improved. Furthermore, a method for predicting the film Reynolds number at the onset of dry patch formation has been developed and a heat transfer correlation for boiling iii falling films proposed. These represent significant improvements for the design of falling film evaporators.
    Résumé
    Cette étude est une contribution à l'amélioration des échangeurs de chaleur à filin tombant. Ce type d'évaporateur peut potentiellement être largement employé dans l'industrie pétrochimique, pour la désalinisation de l'eau de mer ou dans les grands systèmes de climatisation. Un stand d'essai expérimental a été réalisé afin d'étudier l'évaporation de R-134a liquide s'écoulant verticalement sur un alignement de 10 tubes horizontaux en cuivre d'une longueur de 0.55m et de diamètre 19.1mm. Un soin particulier a été apporté à la maîtrise de l'uniformité de la distribution de liquide au niveau du tube supérieur. Les tubes testés sont: un tube lisse de référence, deux tubes à surface mécaniquement améliorée (Turbo-BII HP et GeWa-B) et un tube à revêtement poreux (High-Flux). Les mesures ont été réalisées pour trois espacements entre les tubes, trois flux de chaleur nominaux et une large gamme de débit de réfrigérant s'écoulant sur les tubes. Les coefficients de transfert de chaleur en ébullition en vase ont été mesurés afin d'établir une référence. Les paramètres expérimentaux sont le nombre de Reynolds du film liquide qui est compris entre 0 et 3000, la densité de flux de chaleur locale qui varie entre 20 et 60kW/m2 et la distance séparant les axes des tubes qui est comprise entre 22.3 et 25.5mm. Les coefficients de transfert de chaleur ont été mesurés localement au milieu des tubes pour chacun des dix tubes. L'étude montre qu'il existe deux types de fonctionnements fondamentaux caractérisés par un nombre de Reynolds de film particulier: Au-dessus de ce nombre de Reynolds seuil, l'ébullition nucléée dans le film gouverne le transfert de chaleur; ce coefficient d'échange de chaleur local devient alors indépendant du nombre de Reynolds. En deçà, l'apparition de zones asséchées entraîne une forte chute du coefficient d'échange local. Le coefficient de transfert de chaleur par évaporation de film est approximativement 1.3 fois plus important que le coefficient de transfert de chaleur en ébullition en vase et ce coefficient multiplicateur est fonction du flux de chaleur et de l'espacement entre les tubes mais pas des modes d'écoulement du liquide. A l'issue de ce travail, la compréhension des phénomènes impliqués dans l'évaporation des fluides réfrigérants en film tombant a été amélioré. Une méthode pour prédire la limite d'apparition des zones sèches a été développée et une corrélation pour le transfert de chaleur lors de l'évaporation en film tombant proposée. Elles constituent une amélioration significative pour la conception des évaporateurs à film tombant.