Date of Award

8-2023

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical and Aerospace Engineering

First Advisor

Fadi Al Naimat

Second Advisor

Dr. Bobby Mathew

Third Advisor

Dr. Zafar Said

Abstract

This thesis presents an investigation of pool-boiling heat transfer using the surfacemodification method. The studied boiling surfaces were smooth and rough pin-fins embedded on the copper and aluminum surfaces. This study visualizes bubble formation and departure diameter. Experimental testing aims to predict the heat transfer coefficients for different heat fluxes over smooth and rough pin-finned surfaces. The surface modification method allows changing the boiling surface characteristics, which can lead to enhanced heat transfer. Several factors were studied, including the heat-transfer coefficient, heat flux, bubble departure diameter, and formation time. Four surfaces were used for conducting the pool boiling experiment: a smooth copper surface, a pin-fin copper surface with a width and length of 1 mm and a height of 2 mm with a spacing of 2 mm, a smooth aluminum surface, and a rough aluminum pin-finned surface with 0.5×0.5×1 mm with and a spacing of 2 mm. The experimental testing results compare the smooth and rough surfaces for each of the copper and aluminum materials, showing the differences between the bubble diameter sizes and the bubble formation and departure times at different heat fluxes (low, medium, and critical flux). It was found that the bubble diameter, bubble departure, and formation time increased as the heat flux on the smooth and rough pin fins increased. The study investigated the bubble diameter size and formation/departure times for different heat fluxes on smooth and pin-finned copper and aluminum surfaces. The results are as follows: the bubble diameter sizes (low, medium, and critical heat fluxes) on the smooth copper surface were 0.2803 cm, 0.437 cm, and 0.67 cm. While the bubble formation and departure time (low, medium, and critical heat flux) were 0.2859 s,0.305 s, and 0.4025 s. As for the pin-finned copper surfaces, the bubble diameter sizes (low, medium, and critical heat fluxes) were 0.745 cm, 1.38 cm, and 1.95 cm and the bubble formation and departure times on the pin-finned copper were 0.184 s, 0.207 s, and 0.417 s. For the smooth aluminum surface, the bubble diameter size (low, medium, and critical heat fluxes) were 0.63 cm, 0.96 cm, and 1.27 cm, and the bubble formation and departure times (low, medium, and critical heat fluxes) were 0.27 s, 0.36 s, and 0.40 s. The bubble formation and departure times (low, medium, and critical heat fluxes) were 0.27 s, 0.36 s, and 0.40 s.

The pin-finned aluminum surface had bubble diameter sizes (low, medium, and critical heat fluxes) of 0.24 cm, 0.30 cm, and 0.83 cm. While the bubble formation and departure time (low, medium, and critical heat fluxes) were 0.11 s, 0.13 s, and 0.21 s, respectively. It was concluded that the rough pin-finned copper surface showed an improved boiling heat transfer coefficient and higher heat flux at lower wall superheat temperatures than the smooth surface. In addition, a Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation for boiling heat transfer was developed to conduct a comparison with the experimental results and to study the volume fraction of vapor, velocity, and temperature of the generated bubbles.

Arabic Abstract

دراسة انتقال حرارة غليان حوض السباحة على أسطح النحاس والألومنيوم المعدلة

تقدم هذه الأطروحة تحقيقا في نقل الحرارة المغلية باستخدام طريقة تعديل السطح. كانت الأسطح المغلية المدروسة ناعمة وخشنة مدمجة على أسطح النحاس والألمنيوم. تصور هذه الدراسة تكوين الفقاعة وقطر المغادرة. يهدف الاختبار التجريبي إلى التنبؤ بمعاملات نقل الحرارة لتدفق الحرارة المختلفة على الأسطح الملساء والخشنة ذات الزعانف الدقيقة. تسمح طريقة تعديل السطح بتغيير خصائص سطح الغليان، مما قد يؤدي إلى تحسين نقل الحرارة. تمت دراسة العديد من العوامل، بما في ذلك معامل نقل الحرارة، وتدفق الحرارة، وقطر مغادرة الفقاعة، ووقت التكوين. تم استخدام أربعة أسطح لإجراء تجربة غليان البركة سطح نحاسي أملس، سطح نحاسي ذو زعانف دبوس بعرض وطول 1 مم وارتفاع2 مم بمسافة 2 مم، سطح ألومنيوم أملس وسطح خشن من الألومنيوم مع دبوس 0.5 × 0.5 × 1 مم مع تباعد 2 مم.

تظهر نتائج الاختبار التجريبي مقارنة بين الأسطح الملساء والخشنة للنحاس ومواد الألومنيوم، مظهرة الاختلافاتبين أحجام قطر الفقاعة وأوقات تكوين الفقاعة والمغادرة في تدفقات الحرارة المختلفة التدفق المنخفض والمتوسط والحرج). وجد أن قطر الفقاعة، وانطلاق الفقاعة، ووقت التكوين زاد مع زيادة تدفق الحرارة على دبابيس ناعمة وخشنة. بحثت الدراسة في حجم قطر الفقاعة وأوقات التكوين / المغادرة لتدفق الحرارة المختلفة على أسطح النحاس والألمنيوم الناعمة والمزودة بدبابيس النتائج هي كما يلي: كانت أحجام قطر الفقاعة (منخفضة ومتوسطة وتدفقات الحرارة الحرجة على سطح نحاسي أملس 0.2803 سم و 0.437 سم و 0.67 سم. في حين أن تكوين الفقاعة ووقت المغادرة تدفقات الحرارة المنخفضة والمتوسطة والحرجة كانت 0.2859 ثانية و 0.305 ثانية و0.4025 ثانية. أما بالنسبة للأسطح النحاسية ذات الزعانف الدقيقة، فإن أحجام قطر الفقاعة (منخفضة ومتوسطة وتدفقات الحرارة الحرجة) كانت 0.745 سم و 1.38 سم و 1.95 سم وأوقات تكوين الفقاعة والمغادرة على النحاس ذو الزعانف الدقيقة كانت.0.184 ثانية و0.207 ثانية و 0.417 ثانية

بالنسبة لسطح الألومنيوم الأملس، كان حجم قطر الفقاعة (منخفضا ومتوسطا وتدفقات الحرارة الحرجة) 0.63 سم و 0.96 سم و 1.27 سم وأوقات تكوين الفقاعة والمغادرة (تدفقات الحرارة المنخفضة والمتوسطة والحرجة) كانت0.27 ثانية و 0.36 ثانية و 0.40 ثانية. أوقات تكوين الفقاعة والمغادرة (منخفضة ومتوسطة، وتدفق الحرارة الحرج) كان 0.27 ثانية و 0.36 ثانية و 0.40 ثانية، وكان لسطح الألومنيوم ذو الزعانف ذات أحجام قطر الفقاعة تدفقات الحرارة المنخفضة والمتوسطة والحرجة 0.24 سم و 0.30 سم و 0.83 سم. في حين أن تكوين الفقاعة و وقت المغادرة( تدفقات الحرارة المنخفضة والمتوسطة والحرجة ) كانت 0.11 ثانية و 0.13 ثانية و 0.21 ثانية على التوالي. وخلص إلى أن السطح النحاسي ذو الزعانف الخشنة أظهر معاملا محسنًا لنقل حرارة الغليان وتدفق حرارة أعلى في درجات حرارة حرارة منخفضة للحائط من السطح الأملس. بالإضافة إلى ذلك ، تم تطوير محاكاة ديناميكا الموائع الحسابية.

CFD لنقل الحرارة المغلية للمقارنة مع النتائج التجريبية ودراسة جزء حجم البخار والسرعة ودرجة حرارة الفقاعات المتولدة.

Download
COinS