Date of Award

2-2023

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical and Aerospace Engineering

First Advisor

Fadi Alnaimat

Second Advisor

Bobby Mathew

Abstract

This research aims to investigate heat transfer of single-phase and two-phase fluids in mini-channel heat exchanger with smooth and pin-fins surfaces. The main goal of the study is to develop a high-performance heat exchanger for thermal management in various processing applications. This research is carried out using computational fluid dynamics (CFD) modeling and experimentations. The proposed method is to use enhanced structured pin-fins surfaces in a mini-channel heat exchanger to improve heat transfer. The pin-fin microchannel heat exchanger is investigated using a CFD method with single-phase fluid (water, air). The experimental investigations are conducted using single-phase and two-phase fluid involving condensation. The obtained experimental results show improvement of heat transfer coefficients in the mini-channel heat exchanger with micro pin-fin surfaces at the expense of increased pressure drop. The theoretical modeling study and experimental investigation provides heat transfer results that are useful in understanding enhanced heat transfer and are valuable to the heat transfer research field. The CFD analysis is carried out for Reynold numbers between 50 – 250. The inlet temperatures for hot and cold fluids are set to 335 K and 285 K, respectively. It was found that the maximum effectiveness occurs at lowest Reynolds number, and it is 47.4%, 64.8%, and 65.8% for surface without fins, surface with circular fins, and surface with square fins respectively.

The experimental testing is carried out on aluminum surface with a channel that has a length of 270, width of 30 mm, and height of 1.3 mm. Both smooth and surface with pin-fins are tested experimentally, with pin-fins are on the bottom in inline arrangement, and they have a height and diameter of 1 mm. The inlet temperature at hot fluid and cold fluid are fixed to 293 K and 353 K, respectively. It was found that pressure drop increased as the Reynolds number increased, and turbulent flow showed an even greater increase in pressure drop. The flow rates of air varied from 35 LPM to 77 LPM, and the cold fluid has different flow rates, which are chosen based on the heat capacity ratios of 0.25, 0.5, 0.75, and 1. The experiment showed that an increase in the ratio of heat capacity causes an increase in the convective and overall heat transfer coefficients. Increasing the ratio increased the cooling rate, which also increased the difference in temperatures between the two loops and increased the heat transfer rate. It was found the heat transfer rate is greater in enhanced surfaces with pin-fins in all single phase and two-phase fluids with condensation.

Arabic Abstract

نقل الحرارة في مبادل حراري صغير القناة مع أسطح ناعمة وزعانف دبوس

يهدف هذا البحث إلى التحقيق في انتقال الحرارة للسوائل أحادية الطور وثنائية الطور في المبادل الحراري ذي القناة الصغيرة مع الأسطح الملساء وذات الزعانف الدبوسية. الهدف الرئيسي من الدراسة هو تطوير مبادل حراري عالي الأداء للإدارة الحرارية في تطبيقات المعالجة المختلفة. تم إجراء هذا البحث باستخدام نماذج وتجارب ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD). تتمثل الطريقة المقترحة في استخدام أسطح مهيكلة ذات زعانف مثبتة في مبادل حراري صغير لتحسين نقل الحرارة. يتم فحص المبادل الحراري ذو القناة الدقيقة باستخدام طريقة CFD مع سائل أحادي الطور (ماء، هواء). يتم إجراء التحقيقات التجريبية باستخدام سائل أحادي الطور وثنائي الطور يتضمن تكاثفا. أظهرت النتائج التجريبية التي تم الحصول عليها تحسين معاملات نقل الحرارة في المبادل الحراري ذو القناة الصغيرة مع الأسطح ذات الزعانف الدقيقة على حساب انخفاض الضغط المتزايد. توفر دراسة النمذجة النظرية والتحقيق التجريبي نتائج نقل الحرارة المفيدة في فهم نقل الحرارة المعزز والقيمة في مجال أبحاث نقل الحرارة. تم إجراء تحليل CFD الأرقام رينولدز بين 50 - 250. تم وضع درجات حرارة مدخل السوائل الساخنة والباردة على 335 كلفن و 285 كلفن على التوالي. وجد أن أقصى فعالية تحدث عند أدنى رقم رينولدز وهي %47.4 و 64.8 و 65.8% للأسطح بدون زعانف والسطح ذي الزعانف الدائرية والسطح ذي الزعانف المربعة على التوالي.

تم إجراء الاختبار التجريبي على سطح الألومنيوم بقناة بطول 270 وعرض 30 مم وارتفاع 1.3 مم. يتم اختبار كل من السطح الأملس مع زعانف المسمار بشكل تجريبي، مع وجود زعانف الدبوس في الجزء السفلي في ترتيب مضمن، ويبلغ ارتفاعها وقطرها 1 مم. تم تثبيت درجة حرارة المدخل عند السائل الساخن والسائل البارد عند293 كلفن و 353 كلفن على التوالي. وجد أن انخفاض الضغط زاد مع زيادة رقم رينولدز، وأظهر التدفق المضطرب زيادة أكبر في انخفاض الضغط تراوحت معدلات تدفق الهواء من 35 لترا في الدقيقة إلى 77 لترًا في الدقيقة، وللسائل البارد معدلات تدفق مختلفة، والتي يتم اختيارها بناءً على نسب السعة الحرارية البالغة 0.25 و 0.5 و 0.75 و 1. وأظهرت التجربة زيادة في النسبة السعة الحرارية تؤدي إلى زيادة في معاملات انتقال الحرارة بالحمل الحراري وإجماليها. أدت زيادة النسبة إلى زيادة معدل التبريد، مما أدى أيضًا إلى زيادة الاختلاف في درجات الحرارة بين الحلقتين وزيادة معدل نقل الحرارة. وجد أن معدل نقل الحرارة أكبر في الأسطح المحسنة ذات الزعانف الدبوسية في جميع السوائل أحادية الطور وثنائية الطور مع التكثيف.

Download
COinS