Condensation Heat Transfer and Pressure Drop for Methane and Binary Methane Fluids in Small Channels

Abstract

A conventional heat exchanger consists of fluid channels with diameter larger than approximately 3 mm. Here, the phenomena around heat transfer and pressure drop are more or less well understood and can be well predicted. Newer and more compact heat exchangers use channels with smaller diameter which gives multiple advantages; they occupy less volume, are lighter, may be modular and can be faster and cheaper to produce. However, it is uncertain whether the phenomena affecting heat transfer and pressure drop are the same as in the larger channels. Clarifying this with respect to possible usage in the LNG-industry has been the main purpose of this work.

An experimental set-up designed by Dr. Steffen Grohmann has been used in these investigations. A total of 749 measurements in tubes with diameter 1 mm, 0.5 mm and 0.25 mm have been done. Both single and two-phase flow measurements of pure methane, methane/ethane- and methane/nitrogenmixtures have been carried out. The measurements were done over a broad range with respect to pressure, vapour fraction, mass flux and heat flux. Also the pressure drop was measured.

The conclusion is that the models concerning heat transfer and pressure drop in conventional channels also can be used in tubes with diameter 1 mm and 0.5 mm. The results from the 0.25 mm tube are burdened with too high uncertainty to be used in the conclusion. The results can also be relevant for non-circular diameters in microscale, e.g. for plate-fin heat exchangers.

Konvensjonelle varmevekslarar nyttar kanalar med diameter ned til omlag 3 mm. I desse er fenomena kring varmeovergang og trykktap i stor grad kjende. Nyare og meir kompakte varmevekslarar har kanalar med mindre diameter som inneber ei rekkje fordelar; dei tek mindre plass, er lettare og kan vere raskare og billigare å produsere. Det herskar imidlertid uvisse om fenomena kring varmeovergang og trykktap er dei same som i konvensjonelle kanalar. Å få dette avklart i høve til mogleg bruk i LNG-industrien har vore hovudføremålet med arbeidet.

Eit eksperimentelt oppsett designa av Steffen Grohmann vart brukt i undersøkjingane. Tilsaman 749 m˚alingar i røyr med diameter 1 mm, 0.5 mm og 0.25 mm vart utført. Både einfase kjøling og kondensasjon av metan og blandingar av metan/etan og metan/nitrogen vart gjort. Målingane varierte over eit stort omr˚ade med omsyn til trykk, dampfraksjon, massefluks og varmefluks. Ogs˚a trykkfall gjennom røyra vart målt.

Resultata viser at varmeovergang i einfase veske kan forutseiast med eksisterande modellar i 1 mm og 0.5 mm røyra. Trykkfallsmålingane for 1 mm royret er som forventa utifr˚a konvensjonelle modellar. For 0.5 mm røyret er trykkfallet høgare enn forventa. For 0.25-mm røyret er uvissa for stor til at resultata kan brukast i ein konklusjon.

For kondensering av rein metan kan varmeovergangen i 1 mm-røyret forutseiast med konvensjonelle modellar. I 0.5 mm røyret er varmeovergangen høgare enn berekna. For kondensering av binære blandingar kan varmeovergangen bereknast med konvensjonelle modellar for både 1 mm og0.5 mm royret.

For tofasemålingar i 1 mm-røyret er den gjennomsnittlege uvissa for varmeovergang rundt 10 % og hovudsakleg knytt til temperatursensorane. For 0.5 mm røyret er uvissa for kondensering av rein metan litt over 20 %, medan den er rundt 10 % for kondensering av binarblandingane. For 0.5 mm-royet og sarskilt for 0.25 mm-røyret er massestraumsmålaren ei mykje viktigare kjelde til uvisse.