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)

Heat transfer and flow visualization of falling film condensation on tube arrays with plain and enhanced surfaces

Gstöhl, Daniel ; Thome, John Richard (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 3015.

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    Summary
    The tubes in shell-and-tube condensers, widely used in refrigeration and chemical process industries, are subjected to condensate inundation from the neighboring tubes. The aim of the present investigation is to study the effect of condensate inundation on the thermal performance of an vertical array of horizontal tubes with plain and enhanced surfaces. The experimental approach is split in two parts: measurement of the heat transfer coefficients and visualization of the flow patterns of the condensate falling between the tubes. Refrigerant R-134a was condensed at a saturation temperature of 304K on tube arrays with up to ten tubes at pitches of 25.5, 28.6, and 44.5mm. Four commercially available copper tubes with a nominal diameter of 19.05mm and 544mm in length were tested: a plain tube, a 26 fpi / 1024 fpm low finned tube (Turbo-Chil) and two tubes with three-dimensional enhanced surface structures (Turbo-CSL and Gewa-C). Measurements were performed at three nominal heat flux levels up to 60kW/m2 with liquid overfeed corresponding to film Reynolds numbers up to 3000. The test section offers full visual access to study the flow patterns of the condensate. Furthermore, the large experimental database is unique in that true local heat transfer coefficients were measured as opposed to tube length averaged values in previous studies. With little liquid inundation the tubes with 3D enhanced surface structures outperform the low finned tube. Increasing liquid inundation deteriorates the thermal performance of the 3D enhanced tubes, while it has nearly no affect on the low finned tube, resulting in a higher heat transfer coefficient for the low finned tube at high film Reynolds numbers. Large differences in condensate flow patterns were observed. For the 3D enhanced tubes the ideal flow modes (droplet, column and sheet mode) were observed, while the flow was very unstable for the other two types of tubes. For the 3D enhanced tubes oscillations occurred in the sheet mode at film Reynolds numbers such that liquid left the array of tubes sideways. A heat transfer model for an array of 3D enhanced tubes based on these visual observations was proposed, including the effects of liquid lost by the sideways slinging phenomenon. The measurements were predicted within a mean error of 3% and a standard deviation of 13% by this model.
    Résumé
    Les tubes dans les condenseurs à tubes, largement utilisés dans le domaine de la réfrigération et lors de processus chimiques industriels, sont inondés par le liquide provenant de la condensation sur les tubes environnants. Le travail concerne l'étude de l'influence de cette inondation sur les performances thermiques d'un arrangement vertical de tubes horizontaux à surfaces lisses ou améliorées. L'approche expérimentale a été divisée en deux parties: d'une part, la mesure des coefficients de transfert de chaleur et, d'autre part, la visualisation des modes d'écoulement du condensat entre les tubes. Le réfrigérant R-134a a été condensé à la température de saturation de 304K sur un arrangement de dix tubes, pour des distances inter-axes de 25.5, 28.6 et 44.5mm. Quatre tubes commerciaux en cuivre, ayant un diamètre nominal de 19.05mm et une longueur de 544mm, ont été testés: un tube lisse, un tube à ailettes à 26 fpi / 1024 fpm (Turbo-Chil) et deux tubes à surfaces améliorées par des structures tridimensionnelles (Turbo-CSL and Gewa-C). Les mesures ont été réalisées pour trois valeurs nominales de densité de flux de chaleur allant jusqu'à 60kW/m2 et pour des débits de réfrigérant liquide, correspondant à des nombres de Reynolds de film allant jusqu'à 3000. La conception de la section d'essai permet l'observation complète des modes d'écoulement du condensat entre les tubes. Par ailleur, la base de données expérimentales ainsi constituée est unique dans le sens où ce sont des valeurs locales du coefficient de transfert de chaleur qui ont été mesurées et non des valeurs moyennées sur la longueur des tubes, comme c'était le cas dans les études menées jusqu'ici. Pour les configurations à faible inondation, les tubes à structures tridimensionnelles surclassent le tube à ailettes. L'accroissement du débit de condensat détériore les performances des tubes à structures tridimensionnelles alors qu'il n'affecte que marginalement celles du tube à ailettes. De ce fait, ce dernier permet d'obtenir de plus grandes valeurs du coefficient de transfert de chaleur pour des nombres de Reynolds de film importants. Une grande diversité demodes d'écoulement de condensat a été observée. Pour les tubes à structures tridimensionnelles, les modes d'écoulement typiques (mode gouttes, colonnes et film) ont été rencontrés, tandis que, pour les deux autres types de tubes, l'écoulement s'est révélé très instable. Pour les tubes à surfaces améliorées 3D, des oscillations sont apparues lors du mode d'écoulement en film, pour des nombres de Reynolds de III film élevés, permettant au liquide de quitter latéralement l'arrangement de tubes. Basé sur ces observations visuelles, un modèle physique de transfert de chaleur a été proposé pour les tubes à surfaces améliorées 3D, incluant ces effets de pertes latérales de condensat. L'écart entre valeurs calculées par ce modèle et les valeurs mesurées expérimentalement est de 3% pour un écart type de 13%.