Thermal and Fluid Dynamic Performance of Pin Fin Heat Transfer Surfaces

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2006-02-16
Issue Year
2006
Authors
Sahiti, Naser
Editor
Abstract

This thesis is organized into nine Chapters. Chapter 2 gives an overview of some highly effec-tive heat transfer surfaces used basically for the enhancement of single-phase convective heat transfer in the air conditioning, refrigeration, unit air heater and automobile industries. It follows the analysis of basic parameters that influence the performance of the fins and at the end a rela-tively simple analytical method for the assessment of the order of the magnitude of heat transfer enhancement is presented. Chapter 3 deals with the experimental investigation of heat transfer from pin fin heat transfer surfaces. It also introduces the problem related to the methods of comparison of the performance of heat transfer surfaces by a comparison of the heat transfer and pressure drop of a double pipe pin fin heat exchanger with those of a smooth pipe heat exchanger. Chapter 4 gives details of various comparison methods used in the past for the performance comparison of heat transfer surfaces. It is shown that all those methods have an indicative char-acter, which leads to an approximate estimation of the performance and hence also to an uncer-tainty as to whether the selected heat transfer surface will provide the predicted performance under given operating conditions. Hence a new comparison method is presented and demon-strated. It is shown also that the suggested method provides a consistent and accurate perform-ance comparison of not only the new tested surfaces but also of the surfaces with available heat transfer and pressure drop characteristics. In Chapter 5, the numerical work carried out to investigate the influence of pin cross-section on the performance of pin fin arrays used in the electronics industry is presented. It is shown that the heat exchanger performance plot described in Chapter 4 allows fast and accurate compari-sons of the performances of pin arrays with various cross-sections and various arrangements. In Chapter 6, the numerical work aimed to provide basic heat transfer and pressure drop data for pin fins with configurations suitable for usage in flat-tube heat exchangers is presented. The regression analysis and the corresponding equation for Nu and Eu as functions of all important parameters are also presented. Chapter 7 deals with some aspects of the interrelation of the pin performance and the perform-ance of the entire flat-tube and pin fin heat exchangers. It is demonstrated that by correcting the basic pin performance parameters with a proper pin length, the optimal pin length that corre-sponds to the pin length obtained from the heat exchanger performance plot can be derived. Chapter 8 provides the results of the comparison of the performance of a common flat-tube and louvered fin heat exchanger tested experimentally with a numerically simulated flat-tube and pin fin heat exchanger. It also gives some details of the practical applications of the heat exchanger performance plot. Chapter 9 gives a detailed summary, conclusions and outlook derived from this work.

Abstract

Die vorliegende Arbeit gliedert sich in 9 Kapitel. Nach der Einführung in Kapitel 1 gibt das Ka-pitel 2 einen Überblick über einige hocheffiziente Wärmeübergangsflächen, die vorwiegend für die Erhöhung des einphasigen Wärmeüberganges in Klimatechnik, Kältetechnik, Lufterwär-mungseinheiten und in der Auto-Industrie verwendet werden. Es folgt eine Analyse der Grund-parameter, welche die Leistung der Rippen beeinflussen, und schließlich wird eine relativ einfa-che Methode zur Abschätzung der Größenordnung einer Erhöhung des Wärmeübergangswertes präsentiert. Das Kapitel 3 beschäftigt sich mit experimentellen Untersuchungen des Wärmeüberganges bei Flächen, die mit nadelförmigen Rippen bestückt sind. In diesem Kapitel wird auch eine Einfüh-rung in der Problematik des Vergleichs der Leistung verschiedener Wärmeübergangsflächen gegeben. Hierfür werden die Wärmeübertragung und Druckverluste eines Doppelrohrwärmeü-bertragers mit nadelförmigen Rippen mit einem glatten Doppelrohrwärmeübertrager verglichen. Kapitel 4 gibt die Details unterschiedlicher Methoden, die in der Vergangenheit für den Ver-gleich der Leistung von verschiedenen Wärmeübergangsflächen verwendet wurden. Es wird gezeigt, dass alle diese Methoden einen indikativen Charakter besitzen, der nur eine ungefähre Bestimmung der Leistung erlaubt und damit nicht gewährleisten kann, dass die gewählte Wär-meübergangsfläche die ermittelte Leistung auch unter Betriebsbedingungen bereitstellten kann. Infolgedessen wird für diese Aufgabe eine neue Vergleichsmethode präsentiert und demonst-riert. Es wird auch gezeigt, dass die vorgeschlagene Methode einen konsistenteren und genaue-ren Leistungsvergleich nicht nur der neu getesteten Wärmeübergangsflächen, sondern auch der Wärmeübergangsflächen mit bekannten Wärmeübergangs- und Druckverlustcharakteristiken zulässt. In Kapitel 5 wird die numerische Arbeit dargestellt, mit dem der Einfluss des Querschnittes von nadelförmigen Rippen auf die Leistung einer nadelförmigen Matrix für die Kühlung von elekt-ronischen Bauteilen ermittelt wurde. Es wird gezeigt, dass das in Kapitel 4 beschriebene Wär-meübertrager- Leistungsdiagramm schnelle und korrekte Vergleiche der Leistung von nadelför-miger Matrixen mit unterschiedlichem Nadelquerschnitt und unterschiedlichen Anordnung zu-lässt. Kapitel 6 befasst sich mit dem Wärmeübergang und dem Druckverlust von nadelförmigen Rip-pen in Flach-Roh- Wärmeübertragern. Es werden die Grunddaten der hierzu durchgeführten numerischen Studie dargestellt. Ebenso werden die Regressionsanalyse und die korrespondie-renden Gleichungen für Nu und Eu als Funktion aller wichtigen Parameter dargestellt. Kapitel 7 beschäftigt sich mit einigen Aspekten der Wechselbeziehung zwischen der Leistung der nadelförmigen Rippen und der Leistung des ganzen Flach-Rohr- Wärmeübertragers mit na-delförmigen Rippen. Es wird gezeigt, dass durch die Korrektur der Grundparameter für die Rip-penleistung mit einer passenden Nadellänge die optimale Nadellänge abgeleitet werden kann. Es wird ferner gezeigt, dass die auf diese Weise abgeleitete optimale Länge der mit dem Wärme-übertragerleistungsdiagramm ermittelten optimalen Nadellänge entspricht. In Kapitel 8 sind die Ergebnisse eines Vergleiches zwischen einem experimentell untersuchten Flach-Rohr- Wärmeübertrager mit Jalousie-Rippen und einem numerisch untersuchten Flach-Rohr- Wärmeübertrager mit nadelförmigen Rippen dargestellt. Ebenso werden in diesem Kapi-tel einige Detail-Informationen zur praktischen Anwendung des Wärmeübertragerleistungsdia-gramms gegeben. Kapitel 9 besteht aus einer detaillierten Zusammenfassung, Schlussfolgerungen und Ausblick, die aus der vorliegenden Arbeit abgeleitet werden.

DOI
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