High temperature heat transfer gages; high temperature thin-film resistance thermometers for heat transfer measurements.

"Conference paper. I. E. E. E. Paper no. CP 63-381."

Heat transfer rates for cross flow of water through a tube bank at high Reynolds numbers.

Mode of access: Internet.

AN ASSESSMENT OF FLOW REGIME MAPS AND A NUMERICAL HEAT TRANSFER CORRELATION FOR THE STRATIFIED/ANNULAR REGIME OF SHEAR-DRIVEN INTERNAL CONDENSING FLOWS

Several modern-day cooling applications require the incorporation of mini/micro-channel shear-driven flow condensers. There are several design challenges that need to be overcome in order to meet those requirements. The difficulty in developing effective design tools for shear-driven flow condensers is exacerbated due to the lack of a bridge between the physics-based modelling of condensing flows and the current, popular approach based on semi-empirical heat transfer correlations. One of the primary contributors of this disconnect is a lack of understanding caused by the fact that typical heat transfer correlations eliminate the dependence of the heat transfer coefficient on the method of cooling employed on the condenser surface when it may very well not be the case. This is in direct contrast to direct physics-based modeling approaches where the thermal boundary conditions have a direct and huge impact on the heat transfer coefficient values. Typical heat transfer correlations instead introduce vapor quality as one of the variables on which the value of the heat transfer coefficient depends. This study shows how, under certain conditions, a heat transfer correlation from direct physics-based modeling can be equivalent to typical engineering heat transfer correlations without making the same apriori assumptions. Another huge factor that raises doubts on the validity of the heat-transfer correlations is the opacity associated with the application of flow regime maps for internal condensing flows. It is well known that flow regimes influence heat transfer rates strongly. However, several heat transfer correlations ignore flow regimes entirely and present a single heat transfer correlation for all flow regimes. This is believed to be inaccurate since one would expect significant differences in the heat transfer correlations for different flow regimes. Several other studies present a heat transfer correlation for a particular flow regime - however, they ignore the method by which extents of the flow regime is established. This thesis provides a definitive answer (in the context of stratified/annular flows) to: (i) whether a heat transfer correlation can always be independent of the thermal boundary condition and represented as a function of vapor quality, and (ii) whether a heat transfer correlation can be independently obtained for a flow regime without knowing the flow regime boundary (even if the flow regime boundary is represented through a separate and independent correlation). To obtain the results required to arrive at an answer to these questions, this study uses two numerical simulation tools - the approximate but highly efficient Quasi-1D simulation tool and the exact but more expensive 2D Steady Simulation tool. Using these tools and the approximate values of flow regime transitions, a deeper understanding of the current state of knowledge in flow regime maps and heat transfer correlations in shear-driven internal condensing flows is obtained. The ideas presented here can be extended for other flow regimes of shear-driven flows as well. Analogous correlations can also be obtained for internal condensers in the gravity-driven and mixed-driven configuration.

Heat Transfer in an Airfoil Shaped Strut

Thesis (Ph.D, Mechanical and Materials Engineering) -- Queen's University, 2016-08-31 09:37:50.239

Heat-transfer enhancement with pulsed jets in turbulent pipe flow at high-Reynolds number

Improving heat transfer is a critical area of ​​research in various fields such as thermal engineering, energy conversion and aeronautical engineering. The aim of this thesis is to present the design, construction and testing of an experimental setup for the study of heat transfer enhancement in a turbulent boundary layer using cross-flow pulsed jets. The set-up is designed to generate and control pulsed jets, measure heat transfer and acquire all parameters related to wind tunnel flow and is also capable of varying the parameters of the pulsed jets, such as frequency, amplitude and the duty cycle, in order to study the effects on the increase in heat transfer. The thesis describes the design phases, the construction process and the final successful testing of the plant. The test results verify the functionality and accuracy of the set-up and ensure that it can be used to perform a full experimental campaign to investigate heat transfer enhancement using cross-flow pulsed jets in a turbulent layer boundary.

Modelagem matemática e simulação numérica do resfriamento rápido de morango com ar forçado

This work approaches the forced air cooling of strawberry by numerical simulation. The mathematical model that was used describes the process of heat transfer, based on the Fourier's law, in spherical coordinates and simplified to describe the one-dimensional process. For the resolution of the equation expressed for the mathematical model, an algorithm was developed based on the explicit scheme of the numerical method of the finite differences and implemented in the scientific computation program MATLAB 6.1. The validation of the mathematical model was made by the comparison between theoretical and experimental data, where strawberries had been cooled with forced air. The results showed to be possible the determination of the convective heat transfer coefficient by fitting the numerical and experimental data. The methodology of the numerical simulations was showed like a promising tool in the support of the decision to use or to develop equipment in the area of cooling process with forced air of spherical fruits.

Topology Optimized Design, Microfabrication and Characterization of Electro-Thermally Driven Microgripper

This article presents a systematic and logical study of the topology optimized design, microfabrication, and static/dynamic performance characterization of an electro-thermo-mechanical microgripper. The microgripper is designed using a topology optimization algorithm based on a spatial filtering technique and considering different penalization coefficients for different material properties during the optimization cycle. The microgripper design has a symmetric monolithic 2D structure which consists of a complex combination of rigid links integrating both the actuating and gripping mechanisms. The numerical simulation is performed by studying the effects of convective heat transfer, thermal boundary conditions at the fixed anchors, and microgripper performance considering temperature-dependent and independent material properties. The microgripper is fabricated from a 25 mm thick nickel foil using laser microfabrication technology and its static/dynamic performance is experimentally evaluated. The static and dynamic electro-mechanical characteristics are analyzed as step response functions with respect to tweezing/actuating displacements, applied current/power, and actual electric resistance. A microgripper prototype having overall dimensions of 1mm (L) X 2.5mm (W) is able to deliver the maximum tweezing and actuating displacements of 25.5 mm and 33.2 mm along X and Y axes, respectively, under an applied power of 2.32 W. Experimental performance is compared with finite element modeling simulation results.

The application of electron microscopy and microanalysis in conjunction with organic petrology to further the understanding of organic-mineral association: examples from Mount Isa and McArthur Basins, Australia

Organic petrology supported by electron microscopical and micro-analytical techniques was applied to organic matter in Proterozoic sediments to better understand hydrothermal processes responsible for ore-grade mineralisation. It was shown that organic maturation was not only closely linked to the geological history of the sediments, but also highlighted heat transfer by convection as differentiated from conduction solely through sediment burial and step-wise subsidence. Water-rock ratios effect organic maturation in hydrothermal systems, and erratic reflectance profiles are indicators of convective heat transfer. Identification and characterisation of organic materials in terms of source rock and migrated hydrocarbons was shown to be a powerful tool in reconstructing the thermal history of sediments, identifying hydrothermal episodes, fluid pathways and heat source in the northern Australian Proterozoic basins. Higher reflectance of organic matter towards the central parts of the Mount Isa Basin and some of the most northerly parts point to proximity to higher heat flow at times, in contrast to relatively low temperatures prevailing in the western parts of the basin, next to the Murphy Inlier. A close correlation shown between peak organic reflectance values and super-sequence boundaries farther highlighted the valuable information to be gained from organic petrology, by allowing the separation of processes responsible for metal dissolution and transportation from those inducing precipitation. (C) 2001 Elsevier Science B.V All rights reserved.

Syttyminen ja palamisen eteneminen partikkelikerroksessa

Syttymistä ja palamisen etenemistä partikkelikerroksessa tutkitaan paloturvallisuuden parantamista sekä kiinteitä polttoaineita käyttävien polttolaitteiden toiminnan tuntemista ja kehittämistä varten. Tässä tutkimuksessa on tavoitteena kerätä yhteen syttymiseen ja liekkirintaman etenemiseen liittyviä kokeellisia ja teoreettisia tutkimustuloksia, jotka auttavat kiinteäkerrospoltto- ja -kaasutus-laitteiden kehittämisessä ja suunnittelussa. Työ on esitutkimus sitä seuraavalle kokeelliselle ja teoreettiselle osalle. Käsittelyssä keskitytään erityisesti puuperäisiin polttoaineisiin. Hiilidioksidipäästöjen vähentämistavoitteet sekä kiinteiden jätteiden energiakäytön lisääminen ja kaatopaikalle viennin vähentäminen aiheuttavat lähitulevaisuudessa kerrospolton lisääntymistä. Kuljetusmatkojen optimoinnin takia joudutaan rakentamaan melko pieniä polttolaitoksia, joissa kerrospolttotekniikka on edullisin vaihtoehto. Syttymispisteellä tarkoitetaan Semenovin määritelmän mukaan tilaa ja ajankohtaa, jolloin polttoaineen ja hapen reaktioissa muodostuva nettoenergia aikayksikössä on yhtäsuuri kuin ympäristöön siirtyvä nettoenergiavirta. Itsesyttyminen tarkoittaa syttymistä ympäristön lämpötilan tai paineen suurenemisen seurauksena. Pakotettu syttyminen tapahtuu, kun syttymispisteen läheisyydessä on esimerkiksi liekki tai hehkuva kiinteä kappale, joka aiheuttaa paikallisen syttymisen ja syttymisrintaman leviämisen muualle polttoaineeseen. Kokeellinen tutkimus on osoittanut tärkeimmiksi syttymiseen ja syttymisrintaman etenemiseen vaikuttaviksi tekijöiksi polttoaineen kosteuden, haihtuvien aineiden pitoisuuden ja lämpöarvon, partikkelikerroksen huokoisuuden, partikkelien koon ja muodon, polttoaineen pinnalle tulevan säteilylämpövirran tiheyden, kaasun virtausnopeuden kerroksessa, hapen osuuden ympäristössä sekä palamisilman esilämmityksen. Kosteuden lisääntyminen suurentaa syttymisenergiaa ja -lämpötilaa sekä pidentää syttymisaikaa. Mitä enemmän polttoaine sisältää haihtuvia aineita sitä pienemmässä lämpötilassa se syttyy. Syttyminen ja syttymisrintaman eteneminen ovat sitä nopeampia mitä suurempi on polttoaineen lämpöarvo. Kerroksen huokoisuuden kasvun on havaittu suurentavan palamisen etenemisnopeutta. Pienet partikkelit syttyvät yleensä nopeammin ja pienemmässä lämpötilassa kuin suuret. Syttymisrintaman eteneminen nopeutuu partikkelien pinta-ala - tilavuussuhteen kasvaessa. Säteilylämpövirran tiheys on useissa polttosovellutuksissa merkittävin lämmönsiirtotekijä, jonka kasvu luonnollisesti nopeuttaa syttymistä. Ilman ja palamiskaasujen virtausnopeus kerroksessa vaikuttaa konvektiiviseen lämmönsiirtoon ja hapen pitoisuuteen syttymisvyöhykkeellä. Ilmavirtaus voi jäähdyttää ja kuumankaasun virtaus lämmittää kerrosta. Hapen osuuden kasvaminen nopeuttaa syttymistä ja liekkirintaman etenemistä kunnes saavutetaan tila, jota suuremmilla virtauksilla ilma jäähdyttää ja laimentaa reaktiovyöhykettä. Palamisilman esilämmitys nopeuttaa syttymisrintaman etenemistä. Syttymistä ja liekkirintaman etenemistä kuvataan yleensä empiirisillä tai säilyvyysyhtälöihin perustuvilla malleilla. Empiiriset mallit perustuvat mittaustuloksista tehtyihin korrelaatioihin sekä joihinkin tunnettuihin fysikaalisiin lainalaisuuksiin. Säilyvyysyhtälöihin perustuvissa malleissa systeemille määritetään massan, energian, liikemäärän ja alkuaineiden säilymisyhtälöt, joiden nopeutta kuvaavien siirtoyhtälöiden muodostamiseen käytetään teoreettisella ja kokeellisella tutkimuksella saatuja yhtälöitä. Nämä mallinnusluokat ovat osittain päällekkäisiä. Pintojen syttymistä kuvataan usein säilyvyysyhtälöihin perustuvilla malleilla. Partikkelikerrosten mallinnuksessa tukeudutaan enimmäkseen empiirisiin yhtälöihin. Partikkelikerroksia kuvaavista malleista Xien ja Liangin hiilipartikkelikerroksen syttymiseen liittyvä tutkimus ja Gortin puun ja jätteen polttoon liittyvä reaktiorintaman etenemistutkimus ovat lähimpänä säilyvyysyhtälöihin perustuvaa mallintamista. Kaikissa malleissa joudutaan kuitenkin yksinkertaistamaan todellista tapausta esimerkiksi vähentämällä dimensioita, reaktioita ja yhdisteitä sekä eliminoimalla vähemmän merkittävät siirtomekanismit. Suoraan kerrospolttoa ja -kaasutusta palvelevia syttymisen ja palamisen etenemisen tutkimuksia on vähän. Muita tarkoituksia varten tehtyjen tutkimusten polttoaineet, kerrokset ja ympäristöolosuhteet poikkeavat yleensä selvästi polttolaitteiden vastaavista olosuhteista. Erikokoisten polttoainepartikkelien ja ominaisuuksiltaan erilaisten polttoaineiden seospolttoa ei ole tutkittu juuri ollenkaan. Polttoainepartikkelien muodon vaikutuksesta on vain vähän tutkimusta.Ilman kanavoitumisen vaikutuksista ei löytynyt tutkimuksia.

Kuumalanka-anemometri virtausmittauksissa

Tässä työssä selostetaan kuumalanka-anemometrin käyttö virtausmittauksissa. Kuumalanka-anemometrilla saadaan mitattua virtausnopeuden ja -suunnan lisäksi nopeusheilahteluja. Mittaustaajuus on tyypillisesti useita kymmeniä tuhansia mittauksia sekunnissa ja signaali on jatkuva. Nykytekniikalla pystytään helposti tallentamaan mittauslaitteistolta saatu viesti tietokoneelle ja muuntamaan se nopeudeksi. Hetkellisten nopeuksien avulla voidaan laskea turbulenttisen virtauksen ominaisuuksia, kuten turbulenssin intensiteetti ja spektri. Kuumalanka-anemometrissa lämmitetään sähköisesti ohutta lankaa, joka on mitattavassa virtauksessa. Langan sähköteho on suunnilleen yhtäsuuri kuin langasta konvektiolla siirtyvä lämpöteho. Tällöin on teoreettisesti mahdollista laskea virtausnopeus lämpötehosta lämmönsiirtokorrelaatioilla. Käytännössä laitteisto joudutaan kuitenkin erikseen kalibroimaan, mutta sähkötehon teoreettista riippuvuutta konvektiosta käytetään hyväksi. Kuumalangan lämmitettävä osuus on tyypillisesti halkaisijaltaan 5 µm ja pituudeltaan noin 1 mm. Sitä käytetään pääasiassa kaasuvirtausten mittaamiseen ja valtaosassa mittauksissa virtausaineena on ilma. Kuumalanka voi olla toteutettu kuumakalvotekniikalla, jossa halkaisijaltaan noin 50 - 70 µm paksuinen kuitu on päällystetty ohuella sähköä johtavalla kalvolla. Kuumakalvoanturin ei tarvitse olla muodoltaan sylinterimäinen, se voi olla mm. kartiomainen tai kiilamainen. Erikoispäällystetyllä kuumakalvoanturilla on mahdollista mitata myös nestevirtauksia. Mitattaessa kaasuvirtauksia kuumakalvon etuna on selvästi parempi kestävyys verrattuna kuumalankaan. Nimitystä kuumalanka-anemometri käytetään yleisesti molemmista anturityypeistä Tämän työn alussa käsitellään sylinterin yli tapahtuvaan virtaukseen liittyvää virtausmekaniikkaa ja lämmönsiirtoa. Anemometrin sähköinen osa, laitteisto ja sen kalibrointi käydään läpi. Langan suuntariippuvuuden laskentaan esitetään tarvittavat yhtälöt. Työssä esitellään kolme laitteistolla tehtyä perusmittausta: anturin kohtauskulman muuttaminen, pyörähdyssymmerisen suihkun nopeuskenttä ja tuulitunnelin rajakerros. Lisäksi esitellään yksi käytännöllinen ja vaativampi mittaus, jossa on mitattu nopeusprofiili radiaalikompressorin diffuusorin loppuosassa.

Wind Turbine Direct-Drive Permanent-Magnet Generator with Direct Liquid Cooling for Mass Reduction

Today’s electrical machine technology allows increasing the wind turbine output power by an order of magnitude from the technology that existed only ten years ago. However, it is sometimes argued that high-power direct-drive wind turbine generators will prove to be of limited practical importance because of their relatively large size and weight. The limited space for the generator in a wind turbine application together with the growing use of wind energy pose a challenge for the design engineers who are trying to increase torque without making the generator larger. When it comes to high torque density, the limiting factor in every electrical machine is heat, and if the electrical machine parts exceed their maximum allowable continuous operating temperature, even for a short time, they can suffer permanent damage. Therefore, highly efficient thermal design or cooling methods is needed. One of the promising solutions to enhance heat transfer performances of high-power, low-speed electrical machines is the direct cooling of the windings. This doctoral dissertation proposes a rotor-surface-magnet synchronous generator with a fractional slot nonoverlapping stator winding made of hollow conductors, through which liquid coolant can be passed directly during the application of current in order to increase the convective heat transfer capabilities and reduce the generator mass. This doctoral dissertation focuses on the electromagnetic design of a liquid-cooled direct-drive permanent-magnet synchronous generator (LC DD-PMSG) for a directdrive wind turbine application. The analytical calculation of the magnetic field distribution is carried out with the ambition of fast and accurate predicting of the main dimensions of the machine and especially the thickness of the permanent magnets; the generator electromagnetic parameters as well as the design optimization. The focus is on the generator design with a fractional slot non-overlapping winding placed into open stator slots. This is an a priori selection to guarantee easy manufacturing of the LC winding. A thermal analysis of the LC DD-PMSG based on a lumped parameter thermal model takes place with the ambition of evaluating the generator thermal performance. The thermal model was adapted to take into account the uneven copper loss distribution resulting from the skin effect as well as the effect of temperature on the copper winding resistance and the thermophysical properties of the coolant. The developed lumpedparameter thermal model and the analytical calculation of the magnetic field distribution can both be integrated with the presented algorithm to optimize an LC DD-PMSG design. Based on an instrumented small prototype with liquid-cooled tooth-coils, the following targets have been achieved: experimental determination of the performance of the direct liquid cooling of the stator winding and validating the temperatures predicted by an analytical thermal model; proving the feasibility of manufacturing the liquid-cooled tooth-coil winding; moreover, demonstration of the objectives of the project to potential customers.

Impacts de l'écoulement souterrain sur la dégradation du pergélisol

Les changements climatiques mesurés dans le Nord-ouest canadien au cours du XXIe siècle entraînent une dégradation du pergélisol. Certaines des principales conséquences physiques sont la fonte de la glace interstitielle lors du dégel du pergélisol, l’affaissement du sol et la réorganisation des réseaux de drainage. L’effet est particulièrement marqué pour les routes bâties sur le pergélisol, où des dépressions et des fentes se créent de façon récurrente, rendant la conduite dangereuse. Des observations et mesures de terrain effectuées à Beaver Creek (Yukon) entre 2008 et 2011 ont démontré qu’un autre processus très peu étudié et quantifié dégradait le pergélisol de façon rapide, soit la chaleur transmise au pergélisol par l’écoulement souterrain. Suite aux mesures de terrain effectuées (relevé topographique, étude géotechnique du sol, détermination de la hauteur de la nappe phréatique et des chenaux d’écoulement préférentiels, température de l’eau et du sol, profondeur du pergélisol et de la couche active), des modèles de transfert de chaleur par conduction et par advection ont été produits. Les résultats démontrent que l’écoulement souterrain dans la couche active et les zones de talik contribue à la détérioration du pergélisol via différents processus de transfert de chaleur conducto-convectifs. L’écoulement souterrain devrait être pris en considération dans tous les modèles et scénarios de dégradation du pergélisol. Avec une bonne caractérisation de l’environnement, le modèle de transfert de chaleur élaboré au cours de la présente recherche est applicable dans d’autres zones de pergélisol discontinu.

Performance of phase change material boards under natural convection

The high thermal storage capacity of phase change material (PCM) can reduce energy consumption in buildings through energy storage and release when combined with renewable energy sources, night cooling, etc. PCM boards can be used to absorb heat gains during daytime and release heat at night. In this paper, the thermal performance of an environmental chamber fitted with phase change material boards has been investigated. During a full-cycle experiment, i.e. charging–releasing cycle, the PCM boards on a wall can reduce the interior wall surface temperature during the charging process, whereas the PCM wall surface temperature is higher than that of the other walls during the heat releasing process. It is found that the heat flux density of the PCM wall in the melting zone is almost twice as large as that of ordinary wall. Also, the heat-insulation performance of a PCM wall is better than that of an ordinary wall during the charging process, while during the heat discharging process, the PCM wall releases more heat energy. The convective heat transfer coefficient of PCM wall surface calculated using equations for a normal wall material produces an underestimation of this coefficient. The high convective heat transfer coefficient for a PCM wall is due to the increased energy exchange between the wall and indoor air.

Crumpet structures: experimental and modelling studies

Crumpets are made by heating fermented batter on a hot plate at around 230°C. The characteristic structure dominated by vertical pores develops rapidly: structure has developed throughout around 75% of the product height within 30s, which is far faster than might be expected from transient heat conduction through the batter. Cooking is complete within around 3 min. Image analysis based on results from X-ray tomography shows that the voidage fraction is approximately constant and that there is continual coalescence between the larger pores throughout the product although there is also a steady level of small bubbles trapped within the solidified batter. We report here experimental studies which shed light on some of the mechanisms responsible for this structure, together with some models of key phenomena.Three aspects are discussed here: the role of gas (carbon dioxide and nitrogen) nuclei in initiating structure development; convective heat transfer inside the developing pores; and the kinetics of setting the batter into an elastic solid structure. It is shown conclusively that the small bubbles of carbon dioxide resulting from the fermentation stage play a crucial role as nuclei for pore development: without these nuclei, the result is not a porous structure, but rather a solid, elastic, inedible, gelatinized product. These nuclei are also responsible for the tiny bubbles which are set in the final product. The nuclei form the source of the dominant pore structure which is largely driven by the, initially explosive, release of water vapour from the batter together with the desorption of dissolved carbon dioxide. It is argued that the rapid evaporation, transport and condensation of steam within the growing pores provides an important mechanism, as in a heat pipe, for rapid heat transfer, and models for this process are developed and tested. The setting of the continuous batter phase is essential for final product quality: studies using differential scanning calorimetry and on the kinetics of change in the visco-elastic properties of the batter suggest that this process is driven by the kinetics of gelatinization. Unlike many thermally driven food processes the rates of heating are such that gelatinization kinetics cannot be neglected. The implications of these results for modelling and for the development of novel structures are discussed.