INVESTIGATION OF FREE-CONVECTION CONDENSATION ON A SINGLE HORIZONTAL COPPER TUBE. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Ahmad obeidat Thises.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 21 August 2025. Download (4MB)

Arabic Abstract

تحسين انتقال الحرارة في أنابيب التكاثف أمر بالغ الأهمية لتصميم المكثفات. استكشف الباحثون التعديلات الهندسية مثل أنابيب الزعانف المتكاملة والأنابيب المغلفة بالسلك لتعزيز انتقال الحرارة. ومع ذلك، لم يتم استكشاف تأثير تكوين خليط البخار على التوتر السطحي وتأثيره على تحسين معامل انتقال الحرارة بشكل كامل. تم دراسة التكاثف بطريقة مارانغوني على الأنابيب العادية والأنابيب المغلفة بالسلك. يُعزى التحسين في الأنابيب المغلفة بالسلك إلى تقليل سمك فيلم المكثف وزيادة مساحة السطح النشط. في تكاثف مارانغوني، تُحدث التدرجات في التوتر السطحي عدم استقرار في فيلم المكثف، مما يؤدي إلى تحول نمط التكاثف إلى نمط يشبه التكاثف قطري الشكل على أسطح كارهة للماء، مما ينتج عنه فيلم مكثف أنحف وزيادة في انتقال الحرارة. على الرغم من أن الأبحاث الواسعة قد تناولت تكاثف مارانغوني لخليط البخار-الإيثانول على الأنابيب العادية، إلا أن البحث في تكاثف مارانغوني على الأنابيب المغلفة بالسلك لم يتم بعد. تم دراسة تكاثف مارانغوني لخليط البخار-الإيثانول على كل من الأنابيب العادية والمغلفة بالسلك تحت ظروف الضغط الجوي. شملت الدراسة على الأنابيب العادية استكشاف ستة تركيزات كتلية مختلفة (0.0125%، 0.025%، 0.05%، 0.075%، 0.1%، و 0.3%) من الخليط. بينما تم دراسة أربعة مسافات للأنابيب المغلفة بالسلك (1.6 مم، 2 مم، 2.4 مم، و 2.9 مم) مع أربعة تركيزات من بخار الإيثانول (0.0125%، 0.05%، 0.1%، و 0.3%). تم اتخاذ احتياطات خاصة لمنع الأخطاء الناتجة عن وجود الهواء في البخار أثناء التجارب. أظهرت النتائج أن تكاثف مارانغوني على كل من الأنابيب العادية والمغلفة بالسلك أدى إلى تحسينات كبيرة في انتقال الحرارة مقارنة بالبخار النقي، مع ملاحظة تدفقات حرارية أعلى ومعاملات انتقال حرارية أكبر. أظهرت الأنابيب المغلفة بالسلك نسبة تحسين (نسبة التدفق الحراري أو معامل انتقال الحرارة مقسومًا على القيمة المقابلة المتوقعة بواسطة نظرية نوسلت) بلغت 9.9 عند تركيز إيثانول 0.1% ومسافة 2.9 مم. أما الأنابيب العادية، فقد وصلت نسبة التحسين القصوى إلى 3.8 عند تركيز 0.1%. بشكل عام، كانت نسبة التحسين أكبر عند الفروقات الصغيرة في درجات الحرارة بين الجانب البخاري والسطح، وانخفضت مع زيادة الفروقات في درجات الحرارة. وأخيرًا، تم إجراء تحقيق متعدد الأمثلية لتحديد أفضل المعلمات الهندسية لأنبوب الزعانف، حيث تم استكشاف مجموعة واسعة من المعلمات الهندسية للأنابيب والزعانف. تم أخذ التوتر السطحي وتأثير الجاذبية في الاعتبار. تُستخدم هذه المعلمات للتنبؤ بتكاثف المواد المبردة الجديدة والآمنة. تم تحقيق تحسين كبير في نسبة التحسين من خلال زيادة عدد الزعانف المحيطية، وهو ما تم تحقيقه عن طريق تقليل سمك الزعنفة والمسافات المحيطية بين الزعانف. علاوة على ذلك، تضاعفت نسبة التحسين تقريبًا عند مضاعفة ارتفاع الزعنفة.

English Abstract

Improving heat transfer in condensation tubes is crucial for condenser design. Researchers have explored geometric modifications like pin-fin, integral tubes, and wire-wrapping tubes to enhance heat transfer. However, the impact of vapor mixture composition on surface tension and its effect on heat transfer coefficient enhancement have not been fully explored. Marangoni condensation on plain and wire-wrapping tubes has been studied. The enhancement with wire-wrapping tubes is attributed to reducing condensate film thickness and increasing active surface area. In Marangoni condensation, surface tension gradients induce instability in the condensate film, shifting the condensation mode to a pseudo-dropwise mode similar to pure fluid dropwise condensation on hydrophobic surfaces. This results in a thinner condensate film, leading to increased heat transfer. Although extensive research has been conducted on Marangoni condensation of steam-ethanol mixtures on plain tubes, investigation into Marangoni condensation on wire-wrapping tubes has yet to be investigated. Marangoni condensation of steam-ethanol mixtures has been examined on both plain and wire-wrapping tubes under atmospheric pressure conditions. The investigation on plain tubes involved exploring six different mass concentrations (0.0125%, 0.025%, 0.05%, 0.075%, 0.1%, and 0.3%) of the mixture. Meanwhile, for wire-wrapping tubes, four different pitches (1.6mm, 2mm, 2.4mm, and 2.9mm) were studied alongside four concentrations of steam-ethanol (0.0125%, 0.05%, 0.1%, and 0.3%). Special precautions were taken to prevent errors caused by the presence of air in the vapor during experimentation. Marangoni condensation on both plain and wire-wrapping tubes show significant enhancements in heat transfer compared with pure steam, with higher heat fluxes and heat-transfer coefficients observed. The wire-wrapping tube demonstrated an enhancement ratio (heat flux or heat-transfer coefficient divided by the corresponding value predicted by Nusselt theory) of 9.9 at an ethanol concentration of 0.1% and a pitch of 2.9 mm. For the plain tube, the maximum enhancement ratio was found to be 3.8 at a concentration of 0.1%. Generally, the enhancement ratio was higher at lower vapor side-to-surface temperature differences and decreased with increasing temperature differences. Finally, a multi-optimization investigation was done for the optimal geometrical parameters of pin-fin tube, A wide range of geometrical parameters of tubes and pin-fins were investigated. Surface tension and the effect of gravity are both taken into consideration. These parameters are used for predicting the condensation for new and safe refrigerants. A significant improvement in the enhancement ratio is gained by raising the circumference pin count, which is accomplished by reducing the thickness and circumferential pin spacing. Furthermore, doubling the pin height almost doubles the enhancement ratio.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Ali, Hafiz
Committee Members:	Ali, Usman and Sathyamurthy, Ravishankar
Depositing User:	AHMAD OBEIDAT (g202114650)
Date Deposited:	25 Aug 2024 05:48
Last Modified:	25 Aug 2024 05:48
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143046