Effect of non-uniform heating on horizontal flow boiling of R141b

Abstract

A Energia Solar Concentrada (CSP, do inglês Concentrating Solar Power) com Refletores Lineares de Fresnel (LFR, do inglês Linear Fresnel Reflectors) com Geração Direta de Vapor (DSG, do inglês Direct Steam Generation) tem potencial como fonte de energia limpa e renovável. Esta pesquisa aborda a complexidade introduzida por essas tecnologias, focando na distribuição não uniforme de radiação em absorvedores trapezoidais sem refletores secundários dos LFRs. Especificamente, avalia o impacto do fluxo de calor não uniforme no escoamento horizontal em ebulição de R141b em um tubo de aço inoxidável com diâmetro interno de 10,92 mm. O experimento considera duas velocidades mássicas (50 e 150 kg m-2s-1) e dois fluxos de calor (3,4 e 10,5 kW m-2), juntamente com três diferentes condições de aquecimento (uniforme, por baixo e por cima). Os resultados revelam influências significativas no coeficiente de transferência de calor, especialmente para padrões de escoamento não anulares, embora nenhuma influência tenha sido observada no gradiente de pressão. Os dados experimentais foram testados com dez correlações para queda de pressão e doze para o coeficiente de transferência de calor. O estudo mostra os modelos mais precisos para prever essas variáveis e destaca os melhores. A análise de informação mútua identifica os grupos adimensionais mais influentes na previsão do número de Nusselt bifásico, onde os dois números de Reynolds bifásicos derivados deste trabalho demonstram as menores incertezas na estimativa desse número. Além disso, o trabalho fornece uma avaliação abrangente das condições assimétricas de aquecimento no escoamento em ebulição, avançando tanto a compreensão acadêmica quanto as aplicações industriais no contexto da geração de energia limpa e renovável.

Abstract: Concentrated Solar Power (CSP) and Linear Fresnel Reflectors (LFR) with Direct Steam Generation (DSG) hold promise as clean and renewable energy sources. This research addresses the complexity introduced by these technologies, focusing on the non-uniform radiation distribution in trapezoidal absorbers without secondary reflectors from LFRs. Specifically, it evaluates the impact of non-uniform heat flux on horizontal flow boiling of R141b in a stainless steel tube of 10.92 mm inner diameter. The experiment considers two mass velocities (50 and 150 kg m-2s-1) and two heat fluxes (3.4 and 10.5 kW m-2), along with three different heating conditions (uniform, bottom, and top). The findings reveal significant influences on the heat transfer coefficient, especially for non-annular flow patterns, though none was seen for the pressure drop gradient. The experimental data was put against ten correlations for pressure drop and twelve for heat transfer coefficient. The study shows the most accurate models for predicting them and highlights the best ones. Mutual information analysis identifies the most influential dimensionless groups in predicting the two-phase Nusselt number, where the two derived two-phase Reynolds numbers demonstrate the lowest uncertainties in estimating it. Moreover, the work provides a comprehensive evaluation of asymmetric heating conditions in flow boiling, advancing both academic understanding and industrial applications in the context of clean and renewable energy generation.