Date of Award

11-2017

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical Engineering

First Advisor

Dr. Salahaddin B. Al Omari

Second Advisor

Dr. Emad E. Elnajjar

Comments

Heat transfer enhancement is crucial for many industrial applications. Liquid water has been known as the commonly used coolant for such applications. When water captures heat from the to-be-cooled heat generation source, it loses its cooling deriving force; hence, it needs to be cooled before it can be reused. This research proposes novel techniques to cool hot water in batch-wise operation, at cooling rates faster than those attainable by conventional means. In these techniques, the water is allowed to lose its heat in a direct-contact manner to a high thermal conductivity sink material, which is taken in this research to be gallium. When gallium is used as a heat sink material, while being in its solid state, it acts as a phase change material (PCM) due to its relatively low melting temperature. In other words, when the solid gallium captures heat from the hot source, it melts to a liquid phase that can experience some kind of superheating upon further dumping of heat into it. Consequently, this may cause appreciable diminishing of the temperature difference driving heat transfer from the source. To overcome such possible liquid gallium superheating issues, the present research proposes for the first time in the literature a new technique to integrate chunks of additional un-encapsulated PCM within the solid gallium; (up to 10% volume fraction in this work) that has lower melting temperature than that of the gallium.

Also, this research proposes new techniques to enhance the rate of heat transfer from the hot water to the gallium either by vibrating the heat sink (gallium and water) under a range of amplitudes (0.3, 0.5 and 0.7 mm) and frequencies (20, 35 and 50 Hz) or discretizing the hot water into small bubbles travelling through a gallium bath with height of 13 or 18 mm. For the water bubbling technique, three supporting empirical models from the literature were tailored to the experimental conditions of the present study to predict the experimentally investigated bubbling process and water/gallium heat exchange scenarios.

The results have shown that when the PCM loading within gallium increases, higher water cooling rates can be achieved; with less important role played by the way the PCM is structured in the gallium. Also, the vibration experiments revealed that in the range of the studied parameters, the increase in the vibration parameters lead to higher heat removals; with more domineering effect of the amplitude over frequency. Finally, the bubbling technique had resulted in a promising performance when the liquid gallium bath temperature was maintained at low temperature levels. The predicted results obtained by the three empirical models used for the bubbling process were in very good agreement with experimental results.

In conclusion, this work provides better understanding of heat transfer enhancement applications and proposes in new concepts and unconventional techniques for effective cooling of hot fluids (e.g. hot water) that surpass the heat exchange concepts implemented in existing traditional heat exchangers.

Arabic Abstract

يعتبر تعزيز الانتقال الحراري أمراً بالغ الأهمية لعدة تطبيقات صناعية، وتعرف المياه بأنها المبرد الشائع الاستخدام لمثل هذه التطبيقات. عندما تنتقل الحرارة من مصدر التوليد الحراري إلى المياه، فإنها تفقد القوة الدافعة لعملية التبريد، لذلك فإنها تحتاج إلى إعادة التبريد قبل إمكانية استعمالها مرة أخرى. تقدم هذه الأطروحة تقنيات مبتكرة لتبريد المياه الساخنة بشكل دفعات بمعدل تبريد يفوق ما يمكن تحقيقه بالطرق التقليدية. كما وتسمح هذه التقنيات للمياه الساخنة بأن تفقد حرارتها عن طريق التعرض المباشر لمواد ذات موصلية حرارية عالية مثل الجاليوم (Gallium). عند استخدام الجاليوم كمبدد حراري صلب، فإنه يغير من حالته الفيزيائية ليصبح سائلاً نظراً لدرجة انصهاره والتي تعتبر منخفضة نسبياً. وهذا يعني أن تعرض الجاليوم وهو في حالته الصلبة إلى حرارة، يؤدي إلى تشكل طبقة من الجاليوم السائل والتي قد تسخن إلى درجات حرارة مرتفعة عندما تتزايد كميات الحرارة المراد التخلص منها من الموائع الساخنة. يؤدي الحدث الموصوف أعلاه إلى تناقص ملموس في الفارق الحراري والذي بدوره يؤثر على عملية الانتقال الحراري من المصدر.

يقترح في هذا البحث ولأول مرة في المقالات الأكاديمية، تقنية جديدة للتغلب على الارتفاع الزائد في حرارة الجاليوم السائل والتي تعمل على إضافة قطع من المواد القابلة للتغير الفيزيائي داخل الجاليوم الصلب (نسب تصل إلى 10% مقدرة بالحجم) والتي تغير من حالتها الفيزيائية على درجات حرارة أقل من تلك في الجاليوم.

ويقترح في هذا البحث أيضاً تقنيات جديدة لزيادة معدل الانتقال الحراري من المياه الساخنة إلى الجاليوم إما عن طريق تعريض المبدد الحراري إلى نطاق اهتزازات يشمل سعات مختلفة من الموجات (0.3، 0.5، 0.7 مم) والترددات (20، 35، و50 هيرتز) أو تجزئة المياه الساخنة إلى فقاعات صغيرة التي تتصاعد في 13 أو 18 مم من الجاليوم السائل. تم تدعيم النتائج المختبرية لتقنية تجزئة المياه الساخنة إلى فقاعات بتنبؤات لعملية الانتقال الحراري بين الماء والجاليوم بواسطة ثلاثة نماذج تجريبية من المقالات الأكاديمية والمتلائمة مع الظروف المختبرية للدراسة الحالية.

أظهرت النتائج أن نسبة زيادة المواد القابلة للتغير الفيزيائي في الجاليوم تؤدي إلى زيادة معدلات التبريد بغض النظر عن الدور الذي تلعبه طريقة توزيع تلك المواد. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت نتائج اهتزاز المبدد الحراري في نطاق المجال المدروس أن زيادة سعات وترددات الاهتزازات تؤدي إلى زيادة نسب التبريد، بتأثير أكبر لزيادة السعات عن زيادة الترددات. أدى تجزئة المياه الساخنة إلى فقاعات إنتاج واعدة عندما تمت المحافظة على درجات حرارة متدنية للجاليوم. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت نتائج النماذج التنبؤية لتلك العملية توافقاً نسبياً مع النتائج المختبرية.

وفي الخلاصة، يقدم هذا البحث تصوراً أفضل لتطبيقات تعزيز الانتقال الحراري كما ويقترح أفكاراً جديدة وتقنيات غير تقليدية لتبريد الموائع الساخنة (المياه الساخنة على سبيل المثال) بفعالية تفوق عمليات الانتقال الحراري المستخدمة في مبادلات الحرارة الراهنة.

Arabic Comments

مفاهيم البحث الرئيسية: تعزيز الانتقال الحراري، الانتقال الحراري بالاتصال المباشر، المواد القابلة للتغير الفيزيائي، فقاعات مائية، اهتزازات.

Download

Share

COinS