NUMERICAL AND EXPERIMENTAL STUDIES OF A DOUBLE­ PIPE HELICAL HEAT EXCHANGER Timothy J. Rennie Department of Bioresource Engineering McGill University, Montreal Suhmitted August 2004 A thesis suhmitted to McGill University in partial fulfillment of the requirements of the degree of Doctor of Philosophy © Timothy J. Rennie, 2004 Library and Bibliothèque et 1+1 Archives Canada Archives Canada Published Heritage Direction du Branch Patrimoine de l'édition 395 Wellington Street 395, rue Wellington Ottawa ON K1A ON4 Ottawa ON K1A ON4 Canada Canada Your file Votre référence ISBN: 0-494-12936-0 Our file Notre référence ISBN: 0-494-12936-0 NOTICE: AVIS: The author has granted a non­ L'auteur a accordé une licence non exclusive exclusive license allowing Library permettant à la Bibliothèque et Archives and Archives Canada to reproduce, Canada de reproduire, publier, archiver, publish, archive, preserve, conserve, sauvegarder, conserver, transmettre au public communicate to the public by par télécommunication ou par l'Internet, prêter, telecommunication or on the Internet, distribuer et vendre des thèses partout dans loan, distribute and sell th es es le monde, à des fins commerciales ou autres, worldwide, for commercial or non­ sur support microforme, papier, électronique commercial purposes, in microform, et/ou autres formats. paper, electronic and/or any other formats. The author retains copyright L'auteur conserve la propriété du droit d'auteur ownership and moral rights in et des droits moraux qui protège cette thèse. this thesis. Neither the thesis Ni la thèse ni des extraits substantiels de nor substantial extracts from it celle-ci ne doivent être imprimés ou autrement may be printed or otherwise reproduits sans son autorisation. reproduced without the author's permission. ln compliance with the Canadian Conformément à la loi canadienne Privacy Act some supporting sur la protection de la vie privée, forms may have been removed quelques formulaires secondaires from this thesis. ont été enlevés de cette thèse. While these forms may be included Bien que ces formulaires in the document page count, aient inclus dans la pagination, their removal does not represent il n'y aura aucun contenu manquant. any loss of content from the thesis. ••• Canada ABSTRACT A double-pipe helical heat exchanger was studied numerically and experimentally for both heat transfer and hydrodynamic characteristics. Numerical studies were performed with the aid of a commercial computational fluid dynamics package. Two sizes of the heat exchanger were investigated; the difference between the two was the diameter of the inner tube. Simulations were performed using various flow rates (laminar regime) in the inner tube and in the annulus, as weIl as for parallel flowand counterflow. The results of the Nusselt number in the inner tube were compared to similar experiments reported in the literature. A second study used the same numerical model; however several Prandtl numbers were used by varying the thermal conductivity of the fluid. Furthermore, the effects of thermally dependent thermal conductivities on the heat transfer characteristics were investigated. A third numerical study was performed using thermally dependent viscosities and non-Newtonian fluids. The objective was to determine the effects ofthese fluid properties on the heat transfer and pressure drop in the heat exchanger. The final numerical study involved the determination of the uniformity of the residence time and temperature distributions, as weIl as the heatinglcooling uniformity. A method was developed based on the concept of thermal kill to estimate the heatinglcooling uniformity. Two physical models of the heat exchanger were designed, built, and instrumented for temperature measurements. Inlet and outlet temperatures were measured for a range of laminar flow velocities. Both parallel flow and counterflow configurations were tested. Overall heat transfer coefficients and Nusselt numbers were calculated and compared to the numerical results and to literature data. Results from the numerical trials show that the inner Nusselt numbers in the heat exchanger were similar to literature data, despite the different boundary conditions. Nusselt numbers in the annulus were correlated to a modified Dean number. It was shown that the thermal resistance in the annulus to be the greatest limiting factor for the heat transfer, and heat transfer rates could be increased by increasing the inner tube diameter. 11 The Prandtl number was shown to affect the inner Nusselt number; however the effects were much greater at low Dean numbers. These differences were attributed to the difference in the developing thermal and hydrodynamic boundary layers. The studies with the thermally dependent thermal conductivities showed that the Nusselt number correlated well with a modified Graetz number. Thermally dependent viscosity had little effect on the heat transfer; however it affected the pressure drop. Furthermore, it was shown that by keeping the flow rate in the inner tube or the annulus constant, the pressure drop in that section can be affected by changes in the flow rate in the opposite section, due to the change in the heat transfer rate and hence the average temperature and viscosity of the fluid. Non-Newtonian fluids showed little effect on the heat transfer rates, though they significantly affected the pressure drop relations. The uniformity of the residence time and the temperature distribution were both increased in the inner tube with increasing flow rates. It was shown that a smaller gap size in the annulus resulted in more uniform residence times. Temperature distributions in the inner tube and the annulus were affected by changes in the flow velocity in the opposite section, with lower flow rates resulting in more uniform temperature distributions. Implications of using parallel flow versus counterflow, heating versus cooling, and flow rate are discussed. Overall heat transfer coefficients and Nusselt numbers were calculated for the experimental data. The inner and annulus heat transfer coefficients were determined using Wilson plots. The results were compared to the numerical data and literature values and showed reasonable agreement. III RÉSUMÉ Un échangeur de chaleur hélicoïdal à double tubes a été étudié de façons numérique et expérimentale tant pour ses caractéristiques hydrodynamiques que de transfert de chaleur. Les études numériques ont été conduites à l'aide d'un logiciel commercial numérique de dynamique des fluides. Deux échangeurs de chaleur ont été étudiés, la différence entre les deux étant le diamètre du tube intérieur. Des simulations ont été pratiquées utilisant divers débits (régime laminaire) dans le tube interne et dans le tube annulaire, ainsi que pour un courant parallèle ou opposé. Les résultats du nombre de Nusselt dans le tube interne ont été comparés à des expériences similaires présentées dans la littérature. Une deuxième étude a été conduite utilisant le même modèle numérique; toutefois, plusieurs nombres de Prandtl ont été utilisés, en variant la conductivité thermique du fluide. De plus, les effets des conductivités thermiques, dépendantes de la terp-pérature, sur les caractéristiques de transfert de la chaleur ont été étudiées. Une troisième étude numérique a été conduite utilisant des viscosités dépendantes de la température et des fluides non Newtoniens. L'objectif était de déterminer les effets des propriétés de ces fluides sur le transfert de chaleur et sur la chute de pression dans l'échangeur de chaleur. L'étude numérique finale impliquait la détermination de l'uniformité du temps de résidence et la distribution de la température, ainsi que l'uniformité du réchauffement/refroidissement. Une méthode a été développée basée sur le concept de destruction thermique pour estimer l'uniformité du réchauffement. Deux modèles physiques d'échangeur de chaleur ont été construits et instrumentés pour mesurer la température. Les températures à l'entrée et à la sortie ont été mesurées pour un intervalle de vitesse de débits laminaires. Les configurations de courant parallèle et opposé ont toutes deux été testées. Les coefficients de transfert de chaleur et les nombres de Nusselt ont été calculés et comparés aux résultats numériques et aux données de la littérature. Les résultats des essais numériques démontrent que le nombre Nusselt interne dans l'échangeur de chaleur était similaire aux données de la littérature, malgré les différentes conditions aux limites. Les nombres de Nusselt dans le tube annulaire étaient corrélés à un nombre de Dean modifié. TI a été démontré que la résistance thermique dans IV le tube annulaire était le plus grand facteur limitant pour le transfert de chaleur et que les taux de transfert de chaleur pouvaient être accrus en augmentant le diamètre du tube interne. Il a aussi été démontré que le nombre de Prandtl affectait le nombre de Nusselt dans le tube intérieur; toutefois, les effets étaient plus bien importants lorsque le nombre de Dean était petit. Ces différences ont été attribuées à la différence dans le développement thermal et aux conditions aux limites hydrodynamiques. Les études avec les conductivités thermiques dépendantes de la température démontraient que le nombre de Nusselt avait une bonne corrélation avec un nombre de Graetz modifié. La viscosité dépendante de la température avait peu d'effet sur le transfert de chaleur; toutefois, elle affectait la chute de pression. De plus, il a été démontré qu'en gardant un débit constant dans le tube