Date of Award
5-2023
Document Type
Thesis
Degree Name
Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)
Department
Mechanical and Aerospace Engineering
First Advisor
Fadi Alnaimat
Abstract
This study aims to investigate heat transfer in a miniaturized channel heat exchanger and effectiveness for given real-life design. The main objective of the study is to develop and build a high-performance heat exchanger for thermal management in automotive application using typical radiator manufacturing techniques. This research uses experimental and model-based investigation. It conceptualizes the Miniaturized Channel Heat Exchangers (MCHX) model-based study for demonstrating the design of miniaturized channel heat exchangers, manufacture, and study the heat exchanger effectiveness by validating the developed mathematical model experimentally. The proposed design of the MCHX is to use extruded tubes containing miniaturized channels as hot fluid passages. The MCHX is investigated with single-phase fluid (water as hot fluid, and air as the cold fluid). The design is also studied using normal heat exchanger methods (LMTD and Effectiveness-NTU) methods. The obtained theoretical results are compared in this study to experimental results where the study shows the heat transfer improvement trends in the heat exchanger with increasing Reynolds number inside the channels. The theoretical modeling study and experimental investigation provide heat transfer results that are useful in understanding enhanced heat transfer, and valuable to the heat transfer research field. The miniaturized channel heat exchanger is fabricated using typical heat exchanger method used in nowadays manufacturing techniques called Controlled Atmosphere Brazing (CAB). This manufacturing technique is affordable and widely available at a cost-effective price. The experimental setup uses normal 12 volts electric centrifugal water pump to pump the hot fluid, and a speed-controlled air blower to control and simulate the cold fluid speed going through the heat exchanger. An air flow meter is used to measure the air speed at the outlet of the heat exchanger. Another flowmeter is used monitor the water pump flow speed. Additionally, the test setup uses tankless 3-phase heater, which utilizes six heating elements controlled by a smart switch controller in order to maintain the outlet temperature at a set temperature. Additional sensors are used to observe and monitor the temperatures at the inlet and outlet of both air and water. The purpose of the experimental results is to show the trend of the heat exchanger performance in order to confirm and validate the theoretical results hence proving that LMTD and Effectiveness-NTU methods are sufficient to model a Miniaturized Channel Heat Exchanger (MCHE). As a result, further design analysis shows that the heat exchange rate increases proportionally as the channels size decrease and number of channels increase without increasing the size of the heat exchanger. The results also shows that MCHE effectiveness increases with increasing Reynolds and demonstrates that miniaturized channel heat exchanger achieves 12% effectiveness higher than conventional single channel one. This finding in this study demonstrates that miniaturized channel heat exchangers are more effective and better in performance than conventional heat exchangers. Furthermore, LMTD and effectiveness-NTU methods are sufficient enough to design miniaturized channel heat exchanger. The pressing requirement for effective heat transfer devices, compactness, and material conservation necessitates the adoption of compact and lightweight heat exchangers with elevated heat transfer rates. Miniaturized channel heat exchangers have been demonstrated to have greater merits than traditional/conventional heat exchangers making them ideal for numerous thermal and energy applications. In short, this research urges the automotive industry to utilize Miniaturized Channel Heat Exchangers (MCHE) in automotive cooling applications.
Arabic Abstract
انتقال الحرارة في المبدلات الحرارة المجهرية
تهدف هذه الدراسة إلى التحقيق في نقل الحرارة في مبادل حراري ذو قناة مصغرة وفعاليته لتصميم في الحياة الواقعية المحدد. الهدف الرئيسي للدراسة هو تطوير وبناء مبادل حراري عالي الأداء لإدارة الحرارة في تطبيقات السيارات باستخدام تقنيات تصنيع المشعات النموذجية. تست خدم هذه الدراسة التحقيقات التجريبية والقائمة على النماذج. تصور دراسة مبادلات الحرارة بقنوات مصغر ة (MCHX) دراسة قائمة على النماذج لتوضيح تصميم مبادلات الحرارة بقنوات مصغرة وتصنيعها ودراسة فعالية المبادل الحراري من خلال التحقق من صحة النموذج الرياضي المطور تجريبيًا. التصميم المقترح ل MCHX هو استخدام أنابيب مقذوفة تحتوي على قنوات مصغرة كممرات للسائل الساخن. يتم دراسة MCHX باستخدام سائل في مرحلة واحدة (الماء كسائل ساخن والهواء كسائل بارد). يتم أيضًا دراسة التصميم باستخدام طرق المبادل الحراري العادية (LMTD) و .(Effectiveness-NTU) تتم مقارنة النتائج النظرية المستحصلة في هذه الدراسة مع النتائج التجريبية حيث توضح الدراسة اتجاهات تحسين نقل الحرارة في مبادل الحرارة مع زيادة رقم رينولدز داخل القنوات. تقدم دراسة النمذجة النظرية والتحقيق التجريبي نتائج نقل الحرارة التي تكون مفيدة في فهم تحسين نقل الحرارة وقيمة لمجال البحث في نقل الحرارة. يتم تصنيع مبادل الحرارة ذو القناة المصغرة باستخدام طريقة تصنيع مبادل الحرارة النمطية المستخدمة في تقنيات التصنيع المستخدمة حاليًا والتي تسمى CAB )لحام الغلاف الجوي المسيطر). تعتبر هذه التقنية التصنيعية بتكلفة معقولة ومتاحة على نطاق واسع بسعر فعّال. يستخدم التجهيز التجريبي مضخة ماء كهربائية مركزية بجهد 12 فولت لضخ السائل الساخن، ومنفاخ هواء ذو تحكم في السرعة للتحكم ومحاكاة سرعة السائل البارد الذي يمر عبر المبادل الحراري. يتم استخدام مقياس تدفق الهواء لقياس سرعة الهواء عند مخرج المبادل الحراري. يتم استخدام مقياس تدفق آخر لمراقبة سرعة تدفق مضخة الماء. بالإضافة إلى ذلك، يستخدم التجهيز التجريبي سخانًا ثلاثي الأطوار بدون خزان يستخدم ستة عناصر تسخين يتم التحكم فيها بواسطة جهاز تحكم ذكي للحفاظ على درجة حرارة المخرج عند درجة حرارة محددة . يتم استخدام أجهزة استشعار إضافية لمراقبة ومراقبة درجات الحرارة عند مدخل ومخرج الهواء والماء. يهدف النتائج التجريبية إلى عرض اتجاه أداء مبادل الحرارة لتأكيد وتوثيق النتائج النظرية، وبالتالي إثبات أن طرق LMTD و Effectiveness-NTU كافية لنمذجة مبادل حرارة ذو قناة مصغرة (MCHE). نتيجة لذلك، تظهر تحليلات التصميم الإضافية أن معدل تبادل الحرارة يزداد بنسبة متناسبة مع تقليص حجم القنوات وزيادة عددها دون زيادة حجم مبادل الحرارة. تظهر النتائج أيضًا أن فعالية MCHE تزداد مع زيادة رقم رينولدز وتوضح أن مبادل الحرارة ذو القناة المصغرة يحقق فعالية تزيد 12% عن مبادل الحرارة ذو القناة الواحدة التقليدي. يوضح هذا الاكتشاف في هذه الدراسة أن مبادلات الحرارة ذات القناة المصغرة أكثر فعالية وأفضل في الأداء من المبادلات التقليدية. علاوة على ذلك، تعتبر طرق LMTD و Effectiveness-NTU كافية لتصميم مبادل حرارة ذو قناة مصغرة. إن الحاجة الملحة إلى أجهزة نقل حرارة فعالة وصغر الحجم والمحافظة على المواد تستلزم اعتماد مبادلات حرارة صغيرة الحجم وخفيفة الوزن بمعدلات نقل حرارة مرتفعة. تمت تجربة مبادلات الحرارة ذات القناة المصغرة وأظهرت ميزات أكبر من المبادلات التقليدية، مما يجعلها مثالية للعديد من التطبيقات الحرارية والطاقوية. باختصار، تحث هذه الدراسة صناعة السيارات على استخدام مبادلات الحرارة ذات القناة المصغرة (MCHE) في تطبيقات تبريد المركبات السيارة.
Recommended Citation
Al-Khateri, Mohammed, "HEAT TRANSFER IN MICROCHANNEL COMPACT HEAT EXCHANGER" (2023). Theses. 1297.
https://scholarworks.uaeu.ac.ae/all_theses/1297