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.

Arabic Abstract

تفصل هذه الأطروحة التي تشرح الدراسة القائمة على النموذج التي أُجريت لفهم الأداء الحراري والهيدروليكي للمبادلات الحرارية للأنابيب المزدوجة مع وبدون البروز مع الأخذ في الاعتبار كل من تكوينات التدفق العكسي والمتوازي في الدراسة. يوجد البروز على الجدار الخارجي للأنبوب الداخلي بينما يتم اعتبار الأنبوب الخارجي كغلاف نظرًا لأنه ذو قطر أكبر. يتم توصيف النموذج عن طريق معادلات حاكمة متعددة مثل معادلات الاستمرارية ومعادلات نافير-ستوكس ومعادلات الطاقة. تم استخدام (Fluent module of Ansys Workbench) لإجراء الدراسة القائمة على النموذج.

تم اعتبار المبادلات الحرارية للأنابيب المزدوجة التي تم إنشاؤها باستخدام ABS و AlSi10Mg في هذه الدراسة، ويُستخدم الماء كسائل ساخن وبارد في الدراسة. تم إجراء الدراسات عند عدد رينولدز الذي يتراوح بين 500 و1750.

تكشف الدراسات أن فعالية كل من المبادلات الحرارية للأنابيب المزدوجة ABS وAlSi10Mg، مع وبدون البروز، تتناقص مع زيادة عدد رينولدز للسائل الساخن. بالإضافة إلى ذلك، كُشف أن فعالية المبادل الحراري المتوازي/المضاد للأنابيب المزدوجة AlSi10Mg مع البروز تقريبًا أعلى من المبادلات الحرارية للأنابيب المزدوجة AlSi10Mg بدون البروز عند انخفاض عدد رينولدز للسائل الساخن.

من ناحية أخرى، في حالة ارتفاع عدد رينولدز للسائل الساخن، تكون فعالية المبادلات الحرارية للأنابيب المزدوجة ذات البروز AlSi10Mg أعلى من فعالية المبادلات الحرارية للأنابيب المزدوجة بدون البروز. بالنسبة للأنابيب المزدوجة ABS مع البروز، ينخفض عدد رينولدز مع انخفاض فعالية المبادلات الحرارية مقارنة بالأنابيب المزدوجة ABS بدون البروز.

فيما يتعلق بفعالية المبادلات الحرارية للأنابيب المزدوجة ABS مع البروز، تعتمد على عدد رينولدز للسائل الساخن، فهي مماثلة لفعالية المبادلات الحرارية للأنابيب المزدوجة ABS بدون البروز. لا تؤثر العوامل الهندسية للبروز مثل الطول والزاوية المقابلة على الأداء الحراري للمبادلات الحرارية للأنابيب المزدوجة ABS.

تعتمد 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 بالسائل الساخن والبارد مع زيادة عدد رينولدز للسوائل الساخنة والباردة لجميع المبادلات الحرارية للأنابيب المزدوجة بدون البروز.

ينخفض ضغط السائل الساخن في المبادلات الحرارية للأنابيب المزدوجة ABS وAlSi10Mg مع البروز عند انخفاض ضغط المبادلات الحرارية للأنابيب المزدوجة بدون البروز. يعتمد انخفاض ضغط السائل الساخن في جميع المبادلات الحرارية للأنابيب المزدوجة ذات البروز على المعاملات الهندسية مثل الارتفاع والطول والزاوية المقابلة للبروز.

Arabic Comments

مفاهيم البحث الرئيسية: مبادل حراري مزدوج الأنبوب، الفعالية، نسبة الفعالية الحرارية، تحسين نقل الحرارة، البروز، انخفاض الضغط، عدد رينولدز.

Download
COinS