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)

Experimental and analytical study of two-phase pressure drops during evaporation in horizontal tubes

Moreno Quibén, Jesús ; Thome, John Richard (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3337.

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    Summary
    Two-phase flow of gases and liquids or vapors and liquids in pipes, channels, equipment, etc. is frequently encountered in industry and has been studied intensively for many years. The reliable prediction of pressure drop in two-phase flow is thereby an important aim. Because of the complexity of these types of flow, empirical or semiempirical relationships are only of limited reliability and pressure drops predicted using leading methods may differ by up to 100%. In order to improve prediction methods, this work presents an experimental and analytical investigation of two-phase pressure drops during evaporation in horizontal tubes. The goal of the experimental part was to obtain accurate two-phase pressure drop values over a wide range of experimental conditions. The existing LTCM intube refrigerant test loop has been modified and adapted to the new test conditions and measurement methods. Two new test sections have been also implemented into the modified test rig. The new test section consists of two zones: diabatic and adiabatic. This configuration allows tests to be run that obtain experimental two-phase pressure drop values under diabatic and adiabatic conditions simultaneously. The experimental campaign acquired 2543 experimental two-phase pressure drop values. Based on a comprehensive state-of-the-art review and comparison with two-phase frictional pressure drop prediction methods, it is proven that none of these methods were able to accurately, reliably predict the present experimental values. In the second part of this work, an analytical study was undertaken in order to develop a new two-phase frictional prediction method. It has been shown in the literature that the so called "phenomenological approach" tends to provide more accurate and realistic predictions as the interfacial structure between the phases is taken into account. Based on that, a phenomenological flow pattern approach was chosen in the present study. The recent Wojtan-Ursenbacher-Thome [155] map was chosen to provide the corresponding interfacial structure. The new model treats each flow regime (i.e. interfacial structure) separately and then ensures a smooth transition in between, being in agreement with the experimental observations. Another important feature of the proposed model is that it matches the correct limits at x = 0 (single-phase liquid flow) and x = 1 (single-phase gas flow). Based on a statistically comparison, it is concluded that the new two-phase frictional pressure drop model based on flow pattern map successfully predicts the new experimental data. The present work completes the fourth basic step in LTCM's flow pattern based work on two-phase flow and heat transfer inside horizontal round tubes: (i) generalized flow pattern map, (ii) flow boiling heat transfer model, (iii) convective condensation model and (iv) two-phase frictional pressure drop model.
    Résumé
    Les écoulements biphasiques liquide/gaz ou liquide/vapeur en tubes, canaux ou dans différentes géométries sont un problème fréquemment rencontré dans les applications industrielles et ont été largement étudiés ces dernières années. De par leur importance pratique, la prédiction des pertes de charges des écoulements biphasiques doit être précise. La complexité de ces types d'écoulements fait que les relations empiriques ou semi-empiriques usuelles sont peu précises et leurs prédictions peuvent différer parfois de 100%. Ce travail présente une investigation expérimentale et analytique des pertes de charges biphasiques durant l'évaporation en tubes horizontaux en vue d'en améliorer les méthodes de prédiction. La campagne expérimentale a permis d'obtenir une base de données élargie et fiable de pertes de charges biphasiques. Une boucle de test existante au LTCM pour l'étude des réfrigérants dans des tubes a été modifiée et adaptée aux nouvelles conditions de test et méthodes de mesures. Deux nouvelles sections de tests ont été implantées dans la boucle modifiée. Elles sont composées de deux zones : l'une adiabatique et l'autre non adiabatique. Cette configuration permet d'étudier simultanément les pertes de charges biphasiques en zone adiabatique et en zone non adiabatique. La campagne expérimentale a permis d'obtenir 2543 valeurs de pertes de charges biphasiques. Une étude bibliographique approfondie et une comparaison avec différentes méthodes de prédiction de pertes de charges biphasiques ont montré qu'aucune de ces méthodes ne permettait une prédiction précise et fiable des ces résultats expérimentaux. Dans la seconde partie de ce travail, une étude analytique a été réalisée afin de développer une nouvelle méthode de prédiction des pertes de charges biphasiques par frottement. Une approche phénoménologique a été adoptée dans cette étude car il a été démontré dans la littérature qu'elle permet des prédictions plus réalistes et plus précises en prenant en compte la structure de l'interface entre les phases. Cette structure de l'interface entre les phases a été obtenue en se basant sur la carte d'écoulement de Wojtan-Ursenbacher-Thome [155]. Ainsi le nouveau modèle traite chaque type d'écoulement séparément et assure également des transitions correctes, en accord avec les observations expérimentales. Une autre innovation importante de ce nouveau modèle est qu'il prend correctement en compte les deux limites a x = 0 (écoulement monophasique liquide) et x = 1 (écoulement monophasique gazeux). Une étude statistique a permis de conclure que ce nouveau modèle basé sur les cartes d'écoulements prédit avec succès les résultats expérimentaux. Ainsi cette étude complète la démarche en 4 étapes du LTCM concernant les écoulements biphasiques et les transferts de chaleur internes dans des tubes horizontaux circulaires: (i) carte d'écoulement non adiabatique généralisée, (ii) modèle de transfert de chaleur en ébullition, (iii) modèle de transfert de chaleur en condensation et (iv) modèle de pertes de charges biphasiques.