Thesis (MScEng (Mechanical and Mechatronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: Large air‐cooled heat exchangers and condensers make use of fan arrays to provide cooling. The performance of the fan arrays are however negatively affected by distorted inlet conditions. Given the size of these fans, quantifying exactly what the detrimental effects are is practically impossible. This serves as motivation for developing a scaled multi‐fan testing platform that is able to mimic the behaviour of a full‐scale array but at a more measureable and manageable scale. This investigation was conducted in two parts. A Reynolds number investigation was conducted to determine what effect incorporating Reynolds number effects will have on the scaled fan performance. Computational fluid dynamics (CFD) was used to determine where turbulent transition onset occurs on the full‐scale fan blades and trip wires were then sized and positioned appropriately to recreate the same transition effect. From this initial investigation it was found that the trip wires have an allround negative impact on fan performance but when compensated for by increasing the blade angle, the tripped fan static pressure rise performance is comparable with the non‐tripped fan performance. This suggests that the Reynolds number effects may be ignored for this scaled fan testing investigation. Scaled equivalents of the fans in cooling arrays were tested in a three row multi‐fan array which, using symmetry, represents a typical bay in a full‐scale installation. Various platform heights were simulated and the corresponding decrease in system performance was compared to a model formulated to predict how fan volumetric effectiveness decreases with platform height. The model deviated from the test data at very low platforms heights. A replacement fan for the scaled equivalent fan was tested while installed as the edge fan of a multi‐fan array, the fan worst affected by any inlet disturbance, and was found to perform similarly to the scaled equivalent fan for most platform heights but exceeded the scaled equivalent fan’s performance for the lowest platform height and the most adverse conditions. This proves the effectiveness of the replacement fan as an edge fan. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Groot lugverkoelde warmteruilers maak gebruik van waaier matrikse om verkoeling te voorsien. Die verrigting van die waaieropstelling word egter negatief beïnvloed deur versteurde inlaattoestande. Gegewe die grootte van hierdie waaiers is daar geen praktiese metode om die nadelige invloed van die versteurde inlaattoestande te kwantifiseer nie. Hierdie dien as motivering vir die ontwikkeling van ‘n multi‐waaier toetsplatform wat daartoe in staat is om die gedrag van die volskaal opstelling na te boots maar op ‘n baie meer meetbare en hanteerbare skaal. Hierdie ondersoek was uitgevoer in twee dele. ‘n Reynoldsgetal ondersoek was uitgevoer om te bepaal watter impak dit sal hê op die skaalwaaier verrigting indien die Reynolds getaleffekte ingesluit word in die toetswerk. Berekende vloeidinamka (BVD) was gebruik om te bepaal waar turbulente oorgang voorkom op die volskaal waaierlemme en pooitjiedrade was geselekteer en geposisioneer hiervolgens om dieselfde oorgang te herskep. Vanuit hierdie aanvanklike ondersoek was dit gevind dat die pooitjiedrade ‘n algehele afname in verrigting tot gevolg het, maar wanneer dit oorkom word deur die lemhoek op te stel, die gedrag en verrigting van die gepooitjiede waaier soortgelyk is aan die van die nie‐gepooitjiede waaier. Hierdie gedrag stel voor dat die Reynoldsgetalle maar geïgnoreer kan word vir hierdie skaalwaaier toetswerk. Gelykwaardige skaalwaaiers van die wat in bedryf is in volskaal opstellings was getoets in ‘n drie ry multi‐waaier opstelling wat, deur simmetrie, verteenwordigend is van ‘n tipiese straat in ‘n volskaal opstelling. Verskeie platformhoogtes was gesimuleer en die ooreenstemmende afname in stelsel verrigting was vergelyk met ‘n model wat geformuleer is juis om te voorspel hoe die volumetriese effektiwiteit afneem met platformhoogte. Die model wyk af van die toetsdata by baie lae platform hoogtes. ‘n Vervangingswaaier vir die aanvanklike geskalleerde waaier was getoets as ‘n randwaaier, die waaier wat die ergste benadeel word deur versteurde inlaattoetstande, in die multi‐waaier opstelling. Die vervangingswaaier het soortgelyk aan die aanvanklike waaier verrig vir meeste platformhoogtes, maar oortref die aanvanklike waaier se werksverrigting by die laagste platformhoogte en mees ongunstige toestande. Hierdie bewys die vermoëns van die vervangingswaaier as ‘n randwaaier.

Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2012. / ENGLISH ABSTRACT: The optimal design of a heat exchanger for a specified heat transfer, pressure drop and set of ambient conditions entails minimising space, weight, material usage and overall cost. However, the variables which influence the performance as well as the overall cost of a heat exchanger are not related in a simple way and it is not obvious which variables play the most important roles (Perry & Green, 1997:11-44). Air cooled heat exchangers (ACHEs) are normally designed in three stages, by different experts in the field, and with the aid of specially designed software. This project combines these thermal, mechanical and cost estimation processes into a MS Excel model which makes it easier to see the influence that design parameters have on the overall cost of the heat exchanger. A thermal model was created to design an API 661 (2006) ACHE. The results from this model compared well with those of HTRI Xchanger Suite 6.0 software, with HTRI being more conservative in its design mode. A mechanical design model was then developed, which uses as inputs the outputs of the thermal design. The output from this mechanical design model is the minimum material thicknesses based on the stress criteria of Appendix 13 of ASME VIII div 1 (2007) Boiler and Pressure Vessel Code. An experiment on a finned tube bundle was performed in a wind tunnel facility to determine performance characteristics and compare these to existing correlations in literature. The results showed that both the heat transfer coefficient (h) and loss coefficient (Eu) correlations proposed by Ganguli et al. (1985) closely predict the measured data, and were consequently used in the thermal design model. During this experiment it was also shown that the tube bundle reached 8 % - 9 % of its allowable internal fouling factor, due to rust build up inside the tubes, and in a testing period of only nine days. The thermal and mechanical models were then combined with a cost estimation process to perform both a thermal and mechanical parametric study. The thermal study showed that to obtain an optimal solution, the design must attempt to maximise the length, increase the width rather than the number of bays, make use of two bundles per bay with fewer but larger fans and employ a large number of tube rows with the least number of tube passes. These guidelines were used to create an initial design; Excel Solver was then applied to locate the optimum combination of bundle length and width that result in the minimum heat exchanger cost. Two mechanical considerations were investigated, both requiring additional welding and thus increased welding cost. Firstly the use of stay plates result in reduced required plate thicknesses according to the stress criteria since it provides additional stiffness in the header box design. Secondly the use of more (but smaller) nozzles as opposed to less (but larger) nozzles was also considered. The mechanical parametric study showed no specific trends, but both considerations should still be checked as it can be cost beneficial in a specific design. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Optimale ontwerp van ’n warmteoordraer vir ’n gespesifiseerde warmteoordrag, drukval en stel van omgewingstoestande behels die minimalisering van ruimte, gewig, materiaalverbruik en algehele koste. Die veranderlikes wat egter die werkverrigting, sowel as die algehele koste, van ’n warmteoordraer beïnvloed, hou nie in ’n eenvoudige sin met mekaar verband nie, en dit is nie vanselfsprekend watter veranderlikes die belangrikste rolle speel nie (Perry & Green, 1997:11-44). Lugverkoelde warmteoordraers (air-cooled heat exchangers of ACHEs) word normaalweg in drie fases ontwerp deur verskillende kundiges in die veld en met behulp van spesiaal ontwerpte programmatuur. Hierdie studie kombineer dié termiese, meganiese en kosteberamingsprosesse in ’n MS Excel-model, wat dit makliker maak om van te stel wat die invloed wat ontwerpparameters op die algehele koste van die hitteruiler is. ’n Termiese model is geskep om ’n “API 661 (2006) ACHE” te ontwerp. Die resultate van hierdie model het goed vergelyk met dié van die HTRI Xchanger Suite 6.0-program, met HTRI meer konserwatiew in die ontwerp af. Na die termiese model geskep is, is ’n meganieseontwerp-model ontwikkel, wat as insette die uitsette van die termiese ontwerp gebruik het. Die uitset van hierdie meganieseontwerp-model is die minimum materiaaldikte gebaseer op die spanningskriteria van Bylae 13 van “ASME VIII div 1 (2007) Boiler and Pressure Vessel Code.” Daar is ’n eksperiment op ’n vinbuisbundel in ’n windtonnelfasiliteit uitgevoer om werkverrigtingskarakteristieke te bepaal en dit met bestaande korrelasies in die literatuur te vergelyk. Die resultate het getoon dat sowel die warmteoordragskoëffisiënt (h) en die verlieskoeffisient (Eu) korrelasies, voorgestel deur Ganguli et al. (1985), die data wat gemeet is akkuraat voorspel, en gevolglik is die korrelasies in die termieseontwerp-model gebruik. Gedurende die eksperiment is ook getoon dat die buisbundel 8 % - 9 % van sy toelaatbare interne-aanpakkingfaktor bereik het vanweë roesopbou binne-in die buise, en dit in ’n toetsingtydperk van slegs nege dae. Die termiese en meganiese modelle was toe gekombineer met ’n kosteberamingsproses om ’n termiese sowel as ’n meganiese parametriese studie uit te voer. Die termiese studie het getoon dat, om ’n optimale oplossing te verkry, die ontwerp moet poog om die lengte te maksimeer; die wydte eerder as die aantal strate (bays) te vermeerder; van twee bundels per straat gebruik te maak met minder, maar groter waaiers; en ’n groot aantal buisrye met die kleinste hoeveelheid buisdeurvloeiweë in te span. Hierdie riglyne is gebruik in ’n aanvanklike ontwerp, waarna die Excel Solver gebruik is om die optimale kombinasie van bundellengte en –wydte vas te stel met die oog op die laagste moontlike warmteoordraerkoste. Twee meganiese oorwegings is ondersoek wat albei addisionele sweiswerk sou vereis en dus tot verhoogde sweiskoste sou lei. Eerstens lei die gebruik van ankerplate (stay plates) tot ’n vermindering in die vereiste plaatdiktes volgens die spanningskriteria, aangesien dit addisionele stewigheid in die spruitstukhouerontwerp bied. Tweedens is die gebruik van meer (maar kleiner) spuitstukke teenoor minder (maar groter) spuitstukke ook oorweeg. Die meganiese parametriese studie het geen spesifieke voorkeurneigings getoon nie, maar altwee oorgewings moet nog getoets word want dit kan koste voordelig word in 'n spesifieke ontwerp.