Iowa State University
`Digital Repository @ Iowa State University
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`Retrospective Theses and Dissertations
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`1994
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`The effect of liquid inundation, vapor shear, and
`non-condensible gases on the condensation of
`refrigerants HFC-134a and HCFC-123
`Lance Edward Rewerts
`Iowa State University
`
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`
`Recommended Citation
`Rewerts Lance Edward "The effect of l qu d nundat on vapor shear and non condens ble gases on the condensat on of refr gerants
`HFC 134a and HCFC 123 " (1994). Retrospective Theses and Dissertations. Paper 11311.
`
`Th s D sse a o s b oug o you o ee a d ope access by D g a Repos o y @ Iowa S a e U ve s y. I as bee accep ed o c us o
`Re ospec ve Theses a d D sse a o s by a au o zed ad
`s a o o D g a Repos o y @ Iowa S a e U ve s y. Fo o e
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`Samsung Exhibit 1022
`Samsung Electronics Co., Ltd. v. Daniel L. Flamm
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`300 North Zeeb Road. Ann Arbor. MI 48106-1346 USA
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`3132761-4700
`800.’521-0600
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`The effect of liquid inundation, vapor shear, and non-condensible
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`gases on the condensation of refrigerants HFC-134a and
`HCFC-123
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`Rewerts, Lance Edward, Ph.D.
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`Iowa State University, 1994
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`U-M-I
`300 N. Zecb Rd.
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`Ann Arbor, MI 48106
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`ACKNOWLEDGEMENTS
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`NOMENCLATURE .
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`CHAPTER 1.
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`INTRODUCTION
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`Scope of Research Project
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`Organization of Report .
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`CHAPTER 2. LITERATURE REVIEW
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`Introduction
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`Single Tube Condensation .
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`Smooth tubes
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`Liquid Inundation .
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`Smooth tubes
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`Finned and enhanced tubes .
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`Vapor Shear
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`Smooth tubes
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`Finned and enhanced tubes .
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`Combined Inundation and Vapor Shear
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`Condensation with Non-condensible Gases
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`CHAPTER 3. EXPERIMENTAL APPARATUS
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`Test Section
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`Tube Bundles
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`Non—condensible gas bundle configuration .
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`Liquid inundation and vapor shear bundle configuration .
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`Refrigerant Loop .
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`Glycol Chiller
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`Data Acquisition System .
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`CHAPTER 4. EXPERIMENTAL PROCEDURES .
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`Water-side Heat Transfer Coefficient .
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`Rig Operation .
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`Non—condensible gases .
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`Liquid inundation with HFC-134a .
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`Vapor shear and liquid inundation with HCFC-123
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`Data Reduction
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`Uncertainty of the Shell-side Heat Transfer Coefficients .
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`Data Presentation
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`Non-condensible gas results .
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`Liquid inundation .
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`Combined vapor shear and liquid inundation results .
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`CHAPTER 5. THE EFFECT OF NON-CONDENSIBLE GASES ON THE CON-
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`DENSATION OF HCFC-123
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`Results of the 26-fpi Geometry
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`Results for the 40-fpi Geometry .
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`Bundle performance .
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`Row-by-row performance .
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`Results for the Tu-Cii Geometry .
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`Bundle performance .
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`CHAPTER 6. HFC-l34AlNUNDATl0N RESULTS .
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`Results forthe 26-fpi Geometry .
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`Results for the 40-fpi Geometry .
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`Results for the Tu-Cii Geometry .
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`Results for the G-SC Geometry .
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`Comparisons Between Tube Geometries .
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`Summary .
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`CHAPTER 7. HCFC-123 INUNDATION AND VAPOR SHEAR RESULTS .
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`Results for the 26-fpi Geometry .
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`Performance as a function of Reynolds number
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`Test bundle row performance
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`Performance as a function of Tsw .
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`Results for the 40-fpi Geometry .
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`Simulated bundle profile .
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`Performance as a function of Reynolds number
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`Performance as a function of Tgw .
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`Test bundle performance .
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`Results for the Tu-Cii Geometry .
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`Simulated bundle performance .
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`Performance as a function of Reynolds number
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`Test bundle performance .
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`Performance as a function of T3“,
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`
`Results for the G-SC Geometry .
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`Simulated bundle performance .
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`
`Performance as a function of Reynolds number
`
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`
`Test bundle performance .
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`
`Performance as a function of Tsw .
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`. I40
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`
`Comparisons Between Tube Geometries .
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`Summary .
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`CHAPTER 8. CONCLUSIONS .
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`SummaryofHFC-134a Data .
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`
`Summary of HCFC-123 Data .
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`Non—condensible gas tests .
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`Liquid inundation and vapor shear tests
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`BIBLIOGRAPHY .
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`APPENDIX A. DERIVATION OF UNCERTAINTY ANALYSIS EQUATIONS .
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`APPENDIX B. TABULATED HCFC-123 NON-CONDENSIBLE GAS DATA .
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`Page 10 of 226
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`APPENDIX C. TABULATED HFC-134a INUNDATION DATA .
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`. 178
`
`
`
`APPENDIX D. TABULATED HCFC-123 SHEAR AND INUNDATION DATA .
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`. 187
`
`
`
`Page 11 of 226
`
`

`
`
`
`LIST OF TABLES
`
`
`
`
`
`Table 2.1:
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Coefficients and exponents for Equation 2.21 found by Webb (1990)
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`using CFC-llon five in-line tubes .
`
`Table 3.1:
`
`
`
`
`
`
`
`Tube geometry specifications .
`
`.
`
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`
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`
`15
`
`
`
`32
`
`
`
`33
`
`Table 3.2:
`
`
`
`
`Table 3.3:
`
`
`
`
`Table 4.1:
`
`
`
`
`Table 4.2:
`
`
`
`
`
`
`
`Tube internal enhancement specifications
`
`
`
`
`
`
`
`Uncertainties in the measured parameters
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`STC for the four tube geometries .
`
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`
`
`
`. 4]
`
`
`
`. 47
`
`. 50
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Volumes of N2 injected into test section.
`
`.
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`.
`
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`
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`
`.
`
`Table 4.3:
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Test section conditions for a 30-row bundle simulation; refrigerant
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`flow rate, water flow rate, water temperature held constant .
`
`Table 6.1:
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Coefficients and exponents for Equation 6.2 .
`
`Table 7.1:
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Coeflicients and exponents for Equation 7.2 .
`
`.
`
`.
`
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`. 54
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`
`
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`
`1 15
`
`
`
`. 145
`
`
`
`Table B.l:
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Refrigerant-side data for the 26-fpi geometry with non-condensible
`
`
`
`
`
`
`
`
`gas contamination in HCFC-123 condensation .
`
`.
`
`.
`
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`
`.
`
`.
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`
`.
`
`.
`
`.
`
`.
`
`. I62
`
`
`
`Table B.2:
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Water-side data for the 26-fpi geometry with non-condensible gas
`
`
`
`contamination in HCFC-123 condensation .
`
`
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`
`.
`
`.
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`.
`
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`
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`
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`
`. I63
`
`Table B.3:
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Row data for the 26-fpi geometry with non-condensible gas contam-
`
`ination in HCFC-123 condensation .
`
`
`
`
`
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`
`.
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`. I64
`
`
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`

`
`
`
`Table B.4:
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Shell-side heat transfer coefficients and uncertainties for the 26-fpi
`
`
`
`
`
`
`
`geometry with non-condensible gas contamination in HCFC-I23
`
`
`
`condensation .
`
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`
`. 165
`
`
`
`Table B.5:
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Refrigerant-side data for the 40-fpi geometry with non-condensible
`
`
`
`
`
`
`
`
`gas contamination in HCFC-I23 condensation .
`
`.
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`
`. I66
`
`
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`
`
`
`
`Water-side data for the 40-fpi geometry with non-condensible gas
`
`
`
`.
`
`.
`
`.
`
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`
`.
`
`.
`
`. 167
`
`contamination in HCFC-I23 condensation .
`
`
`
`
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`.
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`.
`
`.
`
`.
`
`.
`
`
`
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`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Row data for the 40-fpi geometry with non-condensible gas contam-
`
`ination in HCFC-I23 condensation .
`
`
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`.
`
`.
`
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`
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`
`. 168
`
`Table B.8:
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Shell-side heat transfer coefficients and uncertainties for the 40-fpi
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`geometry with non-condensible gas contamination in HCFC-I23
`
`
`
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`
`. 169
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`
`
`
`condensation .
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Refrigerant-side data for the Tu-Cii geometry with non-condensible
`
`
`
`
`
`
`
`
`gas contamination in HCFC-I23 condensation .
`
`.
`
`.
`
`.
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`
`.
`
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`
`.
`
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`. 170
`
`
`
`Table B.l0:
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Water-side data for the Tu-Cii geometry with non-condensible gas
`
`
`
`contamination in HCFC-I23 condensation .
`
`
`
`
`
`.
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`
`.
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`
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`. 171
`
`Table B.1 1:
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Row data for the Tu-Cii geometry with non-condensible gas con-
`
`tamination in HCFC-I23 condensation .
`
`
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`
`. I72
`
`
`
`
`
`Table B. 12:
`
`
`
`
`
`Shell-side heat transfer coefficients and uncertainties for the Tu-Cii
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`geometry with non-condensible gas contamination in HCFC-I23
`
`
`
`. 173
`
`condensation .
`
`
`.
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`.
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`
`
`Table B.l3:
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Refrigerant-side data for the G-SC geometry with non-condensible
`
`
`
`
`
`
`gas contamination in HCFC-I23 condensation .
`
`.
`
`.
`
`.
`
`.
`
`.
`
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`
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`. 174
`
`
`
`Table B.l4:
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Water-side data for the G-SC geometry with non-condensible gas
`
`contamination in HCFC-I23 condensation .
`
`
`
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`. I75
`
`
`
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`
`

`
`
`
`Table B.l5:
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Row data for the G-SC geometry with non-condensible gas contam-
`
`ination in HCFC-123 condensation .
`
`
`
`
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`
`.
`
`.
`
`. I76
`
`
`
`Table B.l6:
`
`
`
`
`Shell-side heat transfer coefficients and uncertainties for the G-SC
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`geometry with non-condensible gas contamination in HCFC-123
`
`
`
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`
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`
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`
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`
`.
`
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`
`.
`
`. 177
`
`condensation .
`
`
`.
`
`
`
`Table C. 1:
`
`
`
`Table C.2:
`
`
`
`
`Table C.3:
`
`
`
`
`Table C.4:
`
`
`
`
`Table C.5:
`
`
`
`
`Table C.6:
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Refrigerant-side data for the 26-fpi geometry in HFC-134a inundation l 79
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Water-side data for the 26-fpi geometry in HFC-134a inundation .
`
`
`
`. l79
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Row data for the 26-fpi geometry in HFC-134a inundation
`
`.
`
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`
`.
`
`.
`
`. I80
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Shell-side heat transfer coefiicients and uncertainties for the 26-fpi
`
`
`
`
`
`geometry in HFC-134a inundation .
`
`.
`
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`
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`
`. 180
`
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`
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`
`
`
`Refrigerant-side data for the 40-fpi geometry in HFC-134a inundationl8l
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Water-side data for the 40-fpi geometry in HFC-l34a inundation .
`
`. l8l
`
`
`
`.
`
`.
`
`.
`
`. 182
`
`Table C.7:
`
`
`
`
`Table C.8:
`
`
`
`
`Table C.9:
`
`
`
`
`Table C. 10:
`
`
`
`
`
`Table C.1 I:
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Row data for the 40-fpi geometry in HFC-134a inundation
`
`.
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Shell-side heat transfer coefficients and uncertainties for the 40-fpi
`
`
`
`
`
`geometry in HFC-134a inundation .
`
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`
`. 182
`
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`
`
`Refrigerant—side data for the Tu-Cii geometry in HFC-134a inundation I83
`
`
`
`
`
`
`
`
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`
`
`
`Water—side data for the Tu-Cii geometry in HFC-134a inundation .
`
`. 183
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Row data for the Tu-Cii geometry in HFC-134a inundation .
`
`.
`
`.
`
`.
`
`. 184
`
`
`
`Table C.l2:
`
`
`
`
`
`Shell-side heat transfer coefficients and uncertainties for the Tu-Cii
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`.
`
`.
`
`.
`
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`
`.
`
`. 184
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`geometry in HFC-134a inundation .
`
`.
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`
`
`Refrigerant-side data for the G-SC geometry in HFC-134a inundation 185
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Water—side data for the G-SC geometry in HFC-134a inundation .
`
`
`.
`. I85
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Row data for the G-SC geometry in HFC-l34a inundation .
`
`.
`
`.
`
`.
`
`.
`
`. 186
`
`
`
`Shell-side heat transfer coefficients and uncertainties for the G-SC
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`geometry in HFC-l34a inundation .
`
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`. I86
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`Page 14 of 226
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`
`
`Table D.5:
`
`
`
`
`Table D6:
`
`
`
`
`Table D7:
`
`
`
`
`Table D.8:
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Refrigerant-side data for the 26-fpi geometry in HCFC-123 inundation 188
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Water-side data for the 26-fpi geometry in HCFC-123 inundation .
`
`
`. 188
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Row data for the 26-fpi geometry in HCFC-I23 inundation .
`
`.
`
`.
`
`.
`
`. 189
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Shell-side heat transfer coefiicients and uncertainties for the 26-fpi
`
`
`
`
`
`
`
`geometry in HCFC-123 inundation .
`
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`. I89
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`
`Refrigerant-side data for the 40-fpi geometry in HCFC— l 23 inundation 190
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Water‘-side data for the 40-fpi geometry in I-ICFC-123 inundation .
`
`
`. 190
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Row data for the 40-fpi geometry in HCFC-I23 inundation .
`
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`
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`
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`
`. l9l
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`Shell-side heat transfer coefficients and uncertainties for the 40-fpi
`
`
`
`
`
`geometry in HCFC—l23 inundation .
`
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`. l9l
`
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`
`
`Table D.9:
`
`
`
`
`Table D.l0:
`
`
`
`
`Table D.l 1:
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`Refrigerant-side data for the Tu—Cii geometry in HCFC-123 inundation 192
`
`
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`
`Water-side data for the Tu—Cii geometry in HCFC—l23 inundation .
`. 192
`
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`
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`
`Row data for the Tu—Cii geometry in HCFC— I23 inundation .
`
`.
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`.
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`.
`
`. 193
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`
`Table D.l2:
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`
`Shell-side heat transfer coefiicients and uncertainties for the Tu—Cii
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`geometry in HCFC-123 inundation .
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`. I93
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`
`Refrigerant-side data for the G-SC geometry in HCFC-123 inundation l94
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`
`Water-side data for the G-SC geometry in HCFC-123 inundation .
`
`
`
`. 194
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`
`Row data for the G-SC geometry in HCFC-123 inundation
`
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`. 195
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`
`Shell-side heat transfer coefficients and uncertainties for the G-SC
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`
`geometry in HCFC-123 inundation .
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`. 195
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`LIST OF FIGURES
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`Figure 2.1:
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`Schematic of condensation and condensate flooding of a finned tube
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`(Mano, 1991) .
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`8
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`Figure 2.2:
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`Schematic of different condensate flow patterns.
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`(a) Nusselt con-
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`densation, (b) staggered bundle flow, (c) turbulent dripping, (d) hor-
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`izontal vapor flow with shear. (Marto, 1991) .
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`l 1
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`Figure 2.3:
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`
`Schematic ofcondensation in the presence ofnon-condensible gases.
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`
`Boundary layer temperature and pressure distributions. (Webb and
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`
`. 26
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`
`Wanniarachchi (1980)) .
`
`.
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`
`Figure 3.1:
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`
`
`Schematic of experimental test facility .
`
`
`Figure 3.2:
`
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`
`Schematic of bundle tube sheet .
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`Figure 3.3:
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`
`Cross section of test bundle with inundation apparatus .
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`Figure 4.1:
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`Water-side STC data for the 26-fpi and 40-fpi geometries
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`
`Figure 4.2:
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`Water-side STC data for the Tu-Cii and G-SC geometries .
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`. 30
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`. 34
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`. 36
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`. 48
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`. 48
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`
`Figure 5.1:
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`
`Average shell-side bundle heat transfer coefficient vs. LMTD for the
`
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`
`26-fpi bundle at various nitrogen concentrations during condensation
`
`
`
`with HCFC-123
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`Figure 5.2:
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`
`Average shell-side bundle heat transfer coefficient vs. heat flux for
`
`
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`
`
`the 26-fpi bundle at various nitrogen concentrations in condensation
`
`
`
`with HCFC-123
`
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`
`Figure 5.3:
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`
`Average shell-side row heat transfer coeflicient vs. row number for
`
`
`
`
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`
`
`
`the 26-fpi bundle at various nitrogen concentrations during conden-
`
`sation with HCFC-123; average bundle heat flux = 20,200 W/m2
`
`
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`
`(6400 Btu/h/ftz)
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`. 69
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`Figure 5.4:
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`
`
`Average shell-side row heat transfer coefficient vs. row number for
`
`
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`
`
`
`the 26-fpi bundle at various nitrogen concentrations during conden-
`
`sation with HCFC-123; average bundle heat flux = 25,000 W/m2
`
`
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`
`(7920 Btu/h/R2)
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`. 69
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`
`Figure 5.5:
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`
`
`Average shell-side row heat transfer coeflicient vs. row number for
`
`
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`
`
`the 26-fpi bundle at various nitrogen concentrations during conden-
`
`sation with HCFC-123; average bundle heat flux = 29,300 W/m2
`
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`
`
`(9290 Btu/h/ftz)
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`. 70
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`
`Figure 5.6:
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`
`
`Average shell-side row heat transfer coeflicient vs. row number for
`
`
`
`
`
`
`
`
`
`the 26-fpi bundle at various nitrogen concentrations during conden-
`
`sation with HCFC-123; average bundle heat flux = 33,900 W/m2
`
`
`
`
`
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`
`
`
`
`(10,740 Btu/h/ftz)
`
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`
`Figure 5.7:
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`
`
`Average shell-side bundle heat transfer coefficient vs. LMTD for the
`
`
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`
`
`40-fpi bundle at various nitrogen concentrations during condensation
`
`
`
`with HCFC-123
`
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`
`Figure 5.8:
`
`
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`
`
`Average shell-side bundle heat transfer coefficient vs. heat flux for
`
`
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`
`
`the 40-fpi bundle at various nitrogen concentrations in condensation
`
`
`
`with HCFC- 123
`
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