ANALYTICAL INVESTIGATION OF FLOW DISTRIBUTION IN HEAT EXCHANGER MANIFOLDS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Thesis_PhD_Osman_Siddiqui_2018.pdf Download (12MB) | Preview

Arabic Abstract

يرتبط الأداء الحراري للمبادلات الحرارية الصفائحية بشكل مباشر مع توزيع تدفق الموائع في القنوات. إن زيادة مساحة أسطح القنوات الملامسة للمائع تؤدي بطبيعتها الى تحسن الأداء الحراري. ولكن هذا التحسن يصاحبه فقدان بضغط التدفق نتيجة الانقسام الى قنوات ذات قطر هيدوولوكي أصغر. يؤدي سوء توزيع التدفق الى تقليل الأداء الذي يمكن تقييمه على أساس رقم نسلت المحيطي. لقد تمت دراسة كل من درجة الحرارة والتدفق الحراري الثابتين كل على حدة على جدار القنوات، بالإضافة الى تسخين سطح الموزع. ووجد ان هناك تدفق غير محوري على الانابيب الصغيرة في منظومة الموزع والانابيب المسخنة، والذي بدوره يؤدي إلى قيم سالبة لرقم نسلت المحيطي في بعض الأماكن السطحية. لاستيعاب هذا السلوك تم تصحيح حساب درجة الحرارة المتوسطة لرقم نسلت بناءً على المحور الحراري عند أقل درجة حرارة في كل مقطع عرضي، وتم التحقق من صحة النتائج على أنبوب منفرد تم دراسته من قبل، وتبين أن القيم السالبة لرقم نسلت لم تعد موجودة. لقد تم تقييم متشابهة رقم رينولدز ورقم تشيلتون-كولبرن الكلاسيكية لأربعة تكوينات أساسية للتدفق بالإضافة إلى المبادلات الحرارية الصفائحية، واظهرت النتائج العددية أنه يجب استخدام هذه المتشابهات مع الاخذ بعين الإعتبار الى التوافق الممتاز للتدفق المتوازي والصفائح المسطحة، في حين ان تدفق كويتي والمبادل الحراري اظهروا اختلافات كبيرة. تمت دراسة اثنين من الموزعات، احداهما عريض والاخر ضيق بواسطة ثلاثة نماذج كالتالي: نموذج عددي ونموذج تجريبي و نموذج تحليلي. أظهرت نتائج النموذج العددي توزيع سرعة الماء المتدفق وحرارته عندما يتعرض المبادل الحراري لتدفق ١ كيلو واط لكل متر مربع. كما تم استعراض كنتورات رقم نسلت المحيطي لتحديد الأداء الحراري للموزع ولكل قناة. كشفت النتائج الخاصة بالتصميم ذات النوع U انه يوجد المزيد من التدفق في القنوات الأولية، بينما التصميم ذات النوع Z أظهر تدفق أكثر نحو القنوات الأخيرة. كما أظهرت الموزعات العريضة تدفق أكثر انتظاما من الموزعات الضيقة. ومن خلال زيادة عرض الموزع، تبين أن التدفق يتوزع بشكل أكثر انتظامًا مقارنة مع أنبوب بعرض أصغر، وأظهر معدل التدفق العالي توزيع أكثر انتظاما في التصميم من النوع U بينما ينخفض الانتظام في تصميم من النوعZ . رجوعا للدراسة التجريبية، فقد وجد أن استخدام نظام PIV (قياس السرعة باستخدام صور الجسيمات) مناسب جدًا لقياس السرعات داخل المبادلات الحرارية. وكانت النتائج في توافق جيد مع توزيع السرعة وتوزيع التدفق في القنوات. أيضًا تم اختبار النموذج التحليلي باستخدام معاملات التدفق المقدرة مسبقا. واظهرت نتائج النماذج التحليلية توافق ممتاز مع نتائج النموذج العددي، وقد لوحظ أن معامل الفقدان عند الانعطاف له تأثير كبير في توزيع التدفق..

English Abstract

The thermal performance of a plate type heat exchanger is directly linked with the flow distribution in the channels. The channels increase the contact surface area thus improving the thermal performance, however with an accompanied pressure loss due to the split and resulting smaller hydraulic diameter. Flow maldistribution reduces the performance, which can be evaluated based on the peripheral Nusselt number. In this regard, three layouts are considered with single tube as reference. Both constant wall temperature and wall flux conditions have been studied, with additional consideration of the manifold surface heating. It is found that for a combined manifold and tube heating system, non-axisymmetric flow exists in the smaller tubes leading to negative Nusselt number on some surface points. To accommodate such flow behavior, a procedure for proper calculation of mean temperature for Nusselt number is discussed, based on the thermal axis at the minimum temperature for each cross-section. The results for the single tube were validated with the literature, and it was found that the unrealistic negative values for the Nusselt number no longer exists. The classical Reynolds and Chilton-Colburn analogies are evaluated for four flow configurations in addition to plate-type heat exchangers. The numerical results show that these analogies should be used with proper attention as an excellent agreement was found for parallel flow and flat plate, while Couette flow and heat exchanger showed large differences. Two variations of the manifold, wide and narrow are studied using three models, namely, numerical, experimental and analytical. The numerical results show the velocity and temperature distribution, when the heat exchanger is subjected to a flux of 1 kW/m2 and water as the working fluid. The peripheral Nusselt number contours are also presented, to ascertain the thermal performance of the manifolds and each channel. The numerical results show that for the U- type design, more flow is found in the initial channels, while for Z-type, more flow is towards the latter channels. By increasing the manifold width, it is found that the flow is more uniformly distributed in comparison to the smaller width. Higher flow rate improves distribution for U-type while it degrades the performance for Z-type. For the experimental study, it has been found that the use of Particle Image Velocimetry (PIV) system is an excellent tool to measure the velocities in the heat exchanger. The results are in a good agreement for the velocity profiles and flow distribution in the channels. Furthermore, the analytical model is also tested with the calculated flow coefficients. It has been found that the models are in an excellent agreement with the numerical results, and the impact of turn loss coefficient has been found to be significantly affecting the flow distribution.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Zubair, Syed M.
Committee Members:	Antar, Mohammed A. and Shuja, Shahzada Z. and Bahaidarah, Haitham M. and Binous, Housam
Depositing User:	SIDDIQUI O KALEEM (g201002540)
Date Deposited:	12 Sep 2018 05:19
Last Modified:	31 Dec 2020 08:08
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140803