Date of Award

6-2023

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical and Aerospace Engineering

First Advisor

Dr. Bobby Mathew

Second Advisor

Dr. Fadi Al Naimat

Abstract

This work proposes using zig-zag minichannels in heat exchangers for enhancing its performance while operating under balanced (heat capacity ratio of unity) and unbalanced flow (heat capacity ratio of 0.5) conditions for counter flow and parallel flow configurations. The performance of the heat exchangers is quantified in terms of effectiveness and pressure drops and studies are done for hot fluid Reynolds number ranging from 50 to 1500. This work employs a numerical study to investigate the performance of the heat exchanger with zig-zag minichannels.
Simulation is carried out using Fluent module of Ansys Workbench. The model used for simulation consists of continuity equation, Navier-Stokes equations, and energy equations. Simulation based studies carried out exhibit the superiority of heat exchangers with zig-zag minichannels over those with straight minichannels. The effectiveness of counter flow heat exchanger operating under balanced flow condition, increased from 0.12, for straight minichannels, to 0.21, for zig-zag minichannels, at the highest Reynolds number. The pressure drop of the hot fluid in heat exchanger with straight minichannel increased from 1.34 kPa, at the lowest Reynolds number, to 79.2 kPa, at the highest Reynolds number, while that in the heat exchanger with zig-zag minichannel increased from 1.59 kPa to 154.57 kPa with increase in Reynolds number. The cold fluid pressure drop associated with the heat exchanger with straight minichannel increased from 3.62 kPa to 153.37 kPa with rise in Reynolds number while in the heat exchanger with zig-zag minichannel the increase in Reynolds number increased the pressure drop from 4.17 kPa to 246.9 kPa. The effectiveness of the counter flow heat exchanger while operating at the unbalanced flow condition increased from 0.2 to 0.31 at the highest Reynolds number for straight and zig-zag minichannels; the change in effectiveness with change in minichannel shape at the lowest Reynolds number is negligible. The pressure drop of the hot fluid in a counter flow heat exchanger with straight minichannel, while operating under unbalanced flow condition, increased from 1.34 kPa to 79.2 kPa with increase in Reynolds number while that associated with heat exchanger with zig-zag minichannel increased from 1.59 kPa to 154.57 kPa for the same change in Reynolds number. Regarding the change in pressure drop of the cold fluid with increase in Reynolds number, it increased from 1.79 kPa to 65.55 kPa for the heat exchanger with straight minichannel while that in the heat exchanger with zig-zag minichannel increased from 2.06 kPa to 90.06 kPa. It is identified that the effectiveness of balanced flow parallel flow heat exchanger increased from 0.12 to 0.21 at Reynolds number of 1500 when shifting from straight minichannel to zig-zag minichannel while at the lowest Reynolds number, the change in effectiveness is negligible. Pressure drops increased from 1.34 kPa to 1.59 kPa for the hot fluid at the lowest Reynolds number while that of the cold fluid increased from 3.62 kPa to 4.17 kPa; at the highest Reynolds number the pressure drop of the hot and cold fluids changed from 79.2 kPa to 154.57 kPa and 153.37 kPa to 246.9 kPa, respectively. The findings indicate that the effectiveness of unbalanced flow parallel flow heat exchanger increased from 0.19 to 0.3 at Reynolds number of 1500 when the minichannel is changed from straight to zigzag; the change in effectiveness at Reynolds number of 50 is negligible. Heat exchangers’ effectiveness decreased with an increase in Reynolds number, while pressure drops increased.
A parametric study of the heat exchangers is carried out to understand the influence of different dimensions of the zig-zag minichannels. Decrease sidewall lengths of the minichannel increases effectiveness and pressure drops. Increase in orientation of the increases the effectiveness and pressure drops. With the increase in hydraulic diameter effectiveness decreases while pressure drops increase. The effect of wall separation thickness on the effectiveness and pressure drops is negligible. Experiments are conducted on counter flow heat exchanger with straight minichannels under balanced condition. Good match is observed in experimental and simulation data, difference within the uncertainty of experimental data.

Arabic Abstract


الأداء الحراري الهيدروليكي لمبادل حراري معدني مطبوع 3D مع قنوات صغيرة متعرجة

يفصل عمل هذه الأطروحة دراسة أجريت من أجل تحليل تأثير الأداء الحراري الهيدروليكي لمبادل حراري مطبوع 3D مع قنوات صغيرة متعرجة.
المبادل الحراري يتكون من قناتين للسوائل تحملان السائل البارد والساخن، السائل المستخدم في معظم الدراسة هو بخاصة الماء. الدراسة أجريت على نمطين من التدفق وهما يتكونا من تدفق السائل في تدفق معاكس واتجاه تدفق متوازي. صنع المبادل الحراري مصنوعة من سبائك الألومنيوم (AlSi10Mg). تختص هاذي الدراسة في تفحص قنوات المبادل الحراري المستقيمة وتقارنها في القنوات المستخدمة بكثرة وهي القنوات المتعرج.
تم إنشاء نموذج رياضي باستخدام مجموعة من المعادلات الحاكمة، وهي معادلة الاستمرارية ومعادلة الطاقة ومعادلة نافيير ستوكس. من أجل فحص الحالات الهندسية المختلفة، حيث يتم تغيير المعلمات الهندسية للقناة المصغرة. اجريا تحليل عددي لموائع ديناميكية الحسابية (CFD) باستخدام Ansys Workbench، للتحقيق في دراسة بارامترية لتغيير المعلمات الهندسية. تدرس الدراسة البارامترية التغير في القطر الهيدروليكي واتجاه القناة وطول القناة والمسافة بين القناتين ونوع مائع المستخدم لكل من القناة المستقيمة والمتعرجة. تقارن الدراسة القناة المتعرجة للمبادل الحراري مع القناة المستقيمة التقليدية. أجريت عمليات المحاكاة باستخدام أرقام رينولدز للسائل الساخنة المتفاوتة من 50 إلى 1500.
الهدف الرئيسي من هذه الدراسة هو النظر في تأثير المعلمات المتغيرة للقناة الصغيرة المتعرجة للمبادل الحراري، على أداء المبادل الحراري. تم تعيين التحليل للنظر في تأثير التوصيل الحراري، والـNTU، قوة الضخ المطلوبة بسبب التغير في انخفاض الضغط، وفعالية المبادل الحراري. أجريت دراسة تحليلية وتجريبية لتدفق السوائل للمبادل الحراري المضاد والمتوازي. توضح النتائج التي تم ال إل عليها الزيادة في فعالية المبادل الحراري للقناة الصغيرة المتعرجة مقارنة بالقناة المستقيمة. ومع ذلك، يميل انخفاض الضغط إلى الزيادة بسبب المفاجئة في تدفق السوائل للقناة الصغيرة المتعرجة مقارنة بالقناة المستقيمة.

Download
COinS