Heat Transfer and Visualization of Falling Film Evaporation on a ...

<strong>Heat</strong> <strong>Transfer</strong> <strong>and</strong> <strong>Visualization</strong> <strong>of</strong> <strong>Falling</strong> <strong>Film</strong> <strong>Evaporation</strong>
on a Tube Bundle
THÈSE N O 4840 (2010)
PRÉSENTÉE LE 11 NOVEMBRE 2010
À LA FACULTÉ SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR
LABORATOIRE DE TRANSFERT DE CHALEUR ET DE MASSE
PROGRAMME DOCTORAL EN ENERGIE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES
PAR
Marcel CHRISTIANS
acceptée sur proposition du jury:
Pr<strong>of</strong>. F. Avellan, président du jury
Pr<strong>of</strong>. J. R. Thome, directeur de thèse
Pr<strong>of</strong>. P. Di Marco, rapporteur
Pr<strong>of</strong>. D. Favrat, rapporteur
Pr<strong>of</strong>. P. Stephan, rapporteur
Suisse
2010

Abstract
Horizontal falling film evaporators have the potential <strong>of</strong> displacing flooded evaporators
in industry, due to advantages such as lower required refrigerant charge <strong>and</strong> lower
pressure drop. However, there is a need to improve the underst<strong>and</strong>ing <strong>of</strong> falling film
evaporation mechanisms to provide accurate thermal design methods.
In this work, the existing LTCM falling film facility was utilized to perform falling
film evaporation measurements on a single tube, a vertical row <strong>of</strong> horizontal tubes <strong>and</strong>
a small tube bundle. Two enhanced boiling tubes, namely the Wolverine Turbo-B5 <strong>and</strong>
the Wiel<strong>and</strong> Gewa-B5, were tested using R-134a <strong>and</strong> R-236fa. The tests were carried
out at a constant saturation temperature <strong>of</strong> Tsat = 5 ◦ C, liquid film Reynolds numbers
ranging from 0 to 3000, <strong>and</strong> heat fluxes between 15 <strong>and</strong> 90 kW/m 2 in pool boiling
<strong>and</strong> falling film configurations. A visualization study was performed under adiabatic
<strong>and</strong> diabatic conditions (in both single-array <strong>and</strong> bundle configurations) to study the
flow. The physical phenomena governing the falling film evaporation process have been
studied, <strong>and</strong> insight into their effects on the performance <strong>of</strong> tube bundles has been
gained.
Measurements <strong>of</strong> the local heat transfer coefficient were obtained <strong>and</strong> utilized to
generate new prediction methods, including a method for predicting the onset-<strong>of</strong>-dryout
film flow rate during falling film evaporation, local pool boiling <strong>and</strong> falling film heat
transfer prediction methods <strong>and</strong> a falling film multiplier prediction method.
Keywords: falling film evaporation, pool boiling, enhanced boiling, heat transfer,
two-phase flow, flow visualization, Wilson plot
i

Version abrégée
Les évaporateurs à film tombant ont le potentiel de déplacer les évaporateurs inondés
dans l’industrie, dû aux avantages tels que la charge réfrigérante requise inférieure et la
chute de pression inférieure. Il est nécessaire d’améliorer au préalable la connaissance
des mécanismes d’évaporation en film pour fournir des méthodes performantes de
dimensionnement pour ces échangeurs.
L’installation expérimentale pour les échanges en film tombant du LTCM a été
utilisée pour faire des mesures d’ébullition sur un tube, une colonne de tubes horizontaux
et un faisceau de tubes. Deux tubes améliorés, le Wolverine Turbo-B5 et le Wiel<strong>and</strong>
Gewa-B5 furent testés en utilisant R-134a et R-236fa. Les essais ont été effectués à une
température de saturation constante Tsat = 5 ◦ C, des nombres de Reynolds compris entre
0 et 3000, des densités de flux de chaleur entre 15 et 90 kW/m 2 pour ébullition en vase
et évaporation en film tombant. Une étude de visualization fut éffectuée en conditions
adiabatiques et diabatiques pour étudier l’écoulement. Les phénomènes physiques qui
régissent le processus d’ébullition en film tombant ont été étudiés, et la compréhension
des ces phénomènes et leurs influence sur la performance des évaporateurs à film tombant
a été améliorée.
Des mesures du coefficient de transfert de chaleur ont été obtenues et utilisées pour
produire des méthodes de prédiction, y compris une méthode pour prévoir l’apparition
de la formation de zones sèches, des méthodes pour évaporation en vase et en film
tombant et une méthode pour le Kff.
Mots clés: évaporation en film tombant, ébullition en vase, ébullition améliorée,
transfert de chaleur, écoulement biphasique, visualization, méthode de Wilson
iii

Contents
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
Version abrégée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
List <strong>of</strong> Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
List <strong>of</strong> Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi
Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxiii
1 Introduction 1
1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Motivation <strong>of</strong> the study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Objectives <strong>of</strong> the study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Layout <strong>of</strong> the dissertation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Literature survey 5
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Mechanics <strong>of</strong> falling film flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.1 <strong>Falling</strong> film inter-tube modes <strong>and</strong> transitions . . . . . . . . . . . 5
2.2.2 <strong>Film</strong> breakdown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.3 Vapor–liquid interactions in tube bundles . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 <strong>Heat</strong> transfer mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Natural convection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.5 Nucleate pool boiling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.6 <strong>Falling</strong> film enhancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.7 Single-array heat transfer studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.7.1 Saturation temperature effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.7.2 <strong>Heat</strong> flux effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
ix

CONTENTS
2.7.3 Flow rate effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.7.4 Tube diameter effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.7.5 Liquid feeder effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.7.6 Vapor flow effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.7.7 Enhanced surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.8 Tube bundle heat transfer studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.9 <strong>Falling</strong> film heat transfer prediction methods . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.10 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3 Experimental set-up 27
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 <strong>Falling</strong> film test facility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.1 Refrigerant circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.2 Water circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.3 Water-glycol circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3 Test section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.1 Liquid distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.2 Tube layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4 Bundle modifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5 Measurement procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.6 Refrigerants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.7 Data acquisition <strong>and</strong> control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.7.1 Data acquisition system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.7.2 Control system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.8 Measurements <strong>and</strong> accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.8.1 Instrumentation <strong>of</strong> the test section . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.8.2 Physical properties estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.8.3 Saturation temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.8.4 Mass flow meters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.8.5 Water temperature pr<strong>of</strong>ile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.8.6 Local heat flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.8.7 <strong>Film</strong> Reynolds number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.9 <strong>Visualization</strong> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
x

CONTENTS
3.9.1 Single-array visualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.9.2 Bundle visualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.10 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4 Wilson plot method 49
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2 <strong>Heat</strong> transfer calculation principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3 Origins <strong>of</strong> the Wilson plot method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3.1 Wilson plot method (1915) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3.2 Modified Briggs <strong>and</strong> Young (1969) . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.3 Modification <strong>of</strong> Khartabil et al. (1988) . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3.4 Rose direct method (2004) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3.5 Styrylska method (2003) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.4 LTCM implementation <strong>of</strong> the Wilson plot method . . . . . . . . . . . . 56
4.4.1 Modified Briggs <strong>and</strong> Young method . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4.1.1 Tube-side formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4.1.2 Shell-side formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4.1.3 Uncertainty propagation through the linear regression . 59
4.4.2 Minimization algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.5.1 Experimental matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.5.1.1 Modified Wilson plot results . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.5.1.2 Optimization algorithm results . . . . . . . . . . . . . . 65
4.6 Measurement system validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.6.1 Comparison against the bundle boiling facility’s results . . . . . 65
4.6.2 Water-to-water tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.6.2.1 Description <strong>of</strong> the water-to-water test facility . . . . . . 66
4.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5 Pool boiling <strong>and</strong> single-array experimental results 73
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2 Pool boiling on a single tube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2.1 Pool boiling data reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.2.2 Turbo-B5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
xi

CONTENTS
5.2.3 Gewa-B5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3 <strong>Falling</strong> film evaporation on a single-array . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.3.1 Data reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.3.2 Turbo-B5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.3.3 Gewa-B5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6 Bundle experimental results 101
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.2 Experimental methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.2.1 Variable states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.3 Turbo-B5 results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.3.1 Fully active bundle heat transfer results . . . . . . . . . . . . . . 103
6.3.2 Adiabatic side-array heat transfer results . . . . . . . . . . . . . 104
6.3.3 Dry side-array bundle heat transfer results . . . . . . . . . . . . 105
6.3.4 Utilized results <strong>and</strong> comparison to the single-array data . . . . . 108
6.4 Gewa-B5 results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.4.1 Fully active bundle heat transfer results . . . . . . . . . . . . . . 110
6.4.2 Adiabatic side-array heat transfer results . . . . . . . . . . . . . 112
6.4.3 Dry side-array bundle heat transfer results . . . . . . . . . . . . 114
6.4.4 Utilized results <strong>and</strong> comparison to the single-array data . . . . . 115
6.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7 Flow visualization 119
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.2 Single-array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.2.1 Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.2.2 Inter-column distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.2.3 Diabatic flow visualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
7.3 Bundle high-speed videography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.4 Probable causes for falling film enhancement <strong>and</strong> other phenomena seen 133
7.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
xii

CONTENTS
8 Prediction methods 141
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
8.2 Pool boiling prediction method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
8.3 Onset <strong>of</strong> dryout prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
8.4 <strong>Falling</strong> film evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
8.4.1 Plateau heat transfer coefficient prediction method . . . . . . . 156
8.4.2 <strong>Falling</strong> film multiplier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
8.5 Accuracy <strong>of</strong> the prediction methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
8.6 Simulated refrigerant performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
8.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
9 Conclusions <strong>and</strong> recommendations 179
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
9.2 Consolidation <strong>of</strong> the work performed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
9.2.1 Wilson plot method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
9.2.2 Pool boiling results <strong>and</strong> new predictive method . . . . . . . . . . 181
9.2.3 <strong>Falling</strong> film evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
9.2.3.1 Onset <strong>of</strong> dryout prediction method . . . . . . . . . . . . 183
9.2.3.2 Plateau heat transfer coefficient <strong>and</strong> Kff . . . . . . . . . 183
9.2.4 <strong>Visualization</strong> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
9.3 Aspects meriting further investigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
9.4 Recommendations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
References 188
A Experimental Uncertainty Analysis 201
A.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
A.2 Generalized uncertainty analysis methods . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
A.3 Uncertainty in temperature measurements . . . . . . . . . . . . . . . . 203
A.4 Refrigerant mass flow rate uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
A.5 Pressure measurement uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
A.6 REFPROP uncertainty analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
A.7 Temperature difference uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
A.8 Uncertainty in the measurement <strong>of</strong> tube diameters . . . . . . . . . . . . 207
xiii

CONTENTS
A.9 Uncertainty in the measurement <strong>of</strong> heat transfer tube length . . . . . . 207
A.10 Uncertainty in measurement <strong>of</strong> surface area . . . . . . . . . . . . . . . . 207
A.11 Uncertainty in the value <strong>of</strong> thermal conductivity <strong>of</strong> the copper tubing . 208
A.12 Uncertainty in the wall thermal resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
A.13 Local heat flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
A.14 Internal heat transfer coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
A.15 Overall heat transfer resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
A.16 Local outside heat transfer coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
A.17 <strong>Falling</strong> film multiplier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
A.18 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
Curriculum Vitae 219
xiv