Date of Award

4-2021

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical Engineering

First Advisor

Dr. Bobby Mathew

Second Advisor

Dr. Fadi Al Naimat

Abstract

This thesis details the model-based study carried out for understanding the thermal and hydraulic performance of double pipe heat exchangers with and without pin-fins; both counter and parallel flow configurations are considered in the study. The pin-fins are located on the outer wall of the inner pipe thereby extending into the annulus and in this study, the hot fluid is assumed to pass through the annulus. The model consists of multiple governing equations such as continuity equations, Navier-Stokes equations, and energy equations. A fluent module of Ansys Workbench is used for conducting the model-based study. Double pipe heat exchangers constructed using ABS and AlSi10Mg are considered in this study and water is used as the hot and cold fluid in this study. Studies are done for hot fluid Reynolds numbers varying between 50 and 1750. Results reveal that the effectiveness of both ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) and Aluminum alloy (AlSi10Mg) double pipe heat exchangers, with and without pin-fins, decreases with an increase in hot fluid Reynolds number. Additionally, the studies reveal that the effectiveness of AlSi10Mg double pipe counter/parallel heat exchanger with pin-fins is almost the same as AlSi10Mg double pipe heat exchangers without pin-fins at low hot fluid Reynolds numbers. On the other hand, at high hot fluid Reynolds numbers, the effectiveness of AlSi10Mg double pipe heat exchanger with pin-fins is higher than the effectiveness of double pipe heat exchanger without pin-fins. The effectiveness of ABS double pipe heat exchanger with pin-fins, at low hot fluid Reynolds numbers, is slightly smaller than the effectiveness of ABS double pipe heat exchanger without pin-fins. Regarding the effectiveness of ABS double pipe heat exchanger, with pin-fins, at high hot fluid Reynolds numbers, it is the same as the effectiveness of ABS double pipe heat exchanger without pin-fins. Geometric parameters of pin-fin such as its height, length, and subtended angle do not have any effect on the thermal performance of the ABS double pipe heat exchanger. The enhancement ineffectiveness of AlSi10Mg double pipe heat exchangers achieved by incorporating pin-fins is dependent on the height of the pin-fins while being independent of the length and subtended angle of the pin-fins. The pressure drop associated with the hot and cold fluids increases with the increase in hot fluid Reynolds numbers for all double pipe heat exchangers with and without pin-fins. The pressure drop of the hot fluid in ABS and AlSi10Mg double pipe heat exchangers with pin-fins viii

is greater than the hot fluid pressure drop in the corresponding double pipe heat exchanger without pin-fins. The pressure drop of hot fluid in all double pipe heat exchangers, with pin-fins, is dependent on geometric parameters such as height, length, and subtended angle of the pin-fins.

Comments

تفصل هذه الأطروحة التي تشرح الدراسة القائمة على النموذج التي أجريت لفهم الأداء الحراري والهيدروليكي للمبادلات الحرارية للأنابيب المزدوجة مع وبدون البروز؛ تم أخذ كل من تكوينات التدفق العكسي والمتوازي في الاعتبار في الدراسة. يوجد البروزعلى الجدار الخارجي للأنبوب الداخلي وبالتالي تمتد إلى الحلقة تفرض الدراسة أن السائل الساخن يمر عبر الحلقة. يتكون النموذج من معادلات حاكمة متعددة مثل معادلات الاستمرارية ومعادلات نافيير ستوكس ومعادلات الطاقة. تم استخدام (Fluent module of Ansys Workbench) لإجراء الدراسة القائمة على النموذج. تم اعتبار المبادل الحراري للأنابيب المزدوجة التي تم إنشاؤها بأستخدام ABS و AlSi10Mg في هذه الدراسة ويستخدم الماء كسائل ساخن وبارد في هذه الدراسة. تم إجراء دراسات على عدد رينولد السائل الساخن الذي يتراوح بين 50 و 1750 . تكشف الدراسات أن فعالية كل من المبادلات الحرارية للأنابيب المزدوجة ABS و AlSi10Mg‘ مع وبدون البروز ، تتناقص مع زيادة عدد رينولدز السائل الساخن. بالإضافةإلى ذلك ، كشفت النتائج أن فعالية المبادل الحراري الموازي / المضاد للأنابيب المزدوجة AlSi10Mg مع البروز هي تقريبًا نفس فعالية المبادلات الحرارية للأنابيب المزدوجة AlSi10Mg بدون البروز عند انخفاض عدد رينولد للسائل الساخن. من ناحية أخرى ، في حالةارتفاع عدد رينولد للسائل الساخن، تكون فعالية المبادل الحراري للأنابيب المزدوجة AlSi10Mg ذات البروز أعلى من فعالية المبادل الحراري للأنابيب المزدوجة بدون البروز.فعالية المبادل الحراري للأنابيب المزدوجة ABS مع البروز، عند انخفاض عدد رينولدز للسائل الساخن ، أقل قليلاً من فعالية المبادل الحراري للأنابيب المزدوجة ABS بدون البروز. فيما يتعلق بفعالية المبادل الحراري للأنابيب المزدوجة ABS ، مع البروز ، لعدد عالي من الرينولدز للسائل الساخن، فهي مماثلة لفعالية المبادل الحراري للأنابيب المزدوجة ABS بدون البروز. لا تؤثر العوامل الهندسية للبروز مثل الطول والزاوية المقابلة على الأداء الحراري للمبادل الحراري للأنابيب المزدوجة ABS . يعتمد تحسين فعالية المبادلات الحرارية للأنابيب المزدوجة AlSi10Mg التي يتم تحقيقها من خلال دمج البروز على ارتفاع البروز بينما لا تعتمد على الطول والزاوية المقابلة للبروز. يزداد انخفاض الضغط الخاص بالسوائل الساخنة والباردة مع زيادة عدد رينولدز للسوائل الساخنة لجميع المبادلات الحرارية للأنابيب المزدوجة مع وبدون البروز. ينخفض ضغط السائل الساخن في المبادلات الحرارية للأنابيب المزدوجة ABS و AlSi10Mg مع البروز أكبر من انخفاض ضغط السائل الساخن في المبادل الحراري للأنبوب المزدوج المقابل بدون البروز. يعتمد انخفاض ضغط السائل الساخن في جميع المبادلات الحرارية للأنابيب المزدوجة ذات البروز على المعلمات الهندسية مثل الارتفاع والطول والزاوية المقابلة البروز.

Download
COinS