Design and Optimization of Air-Liquid Cooling System for Aerospace Applications

Pratt & Whitney Canada comme un leader mondial de l'aérospatiale et un des manufacturiers majeurs de moteur d'avions a lancé un projet afin d'introduire une nouvelle technologie et type de moteur unique pour différentes applications aérospatiales. La conception globale d'un moteur exige avoir un échangeur de chaleur afin d'extraire la chaleur du liquide de refroidissement. Comme, le poids est un facteur important pour la conception aérospatiale, donc, concevoir un échangeur de chaleur compact et efficace est toujours un défi pour les concepteurs aéronautiques. Afin de relever ce défi, une méthode d'ε-NTU est implémentée à l'aide de logiciel MATLAB pour résoudre les problèmes reliés aux transmissions de chaleur et de dimensionnement liés à la procédure de conception. La vérification du code implémenté est effectuée pour un seul point afin de vérifier le fonctionnement du code. En ce qui concerne, l'analyse d'échangeur de chaleur est un problème à multiples facettes qui traite de nombreux paramètres dus à la condition de fonctionnement. La vérification est effectuée pour un refroidisseur intermédiaire (Intercooler) en utilisant la méthode ε-NTU et elle a mis en évidence une différence inférieure à 5%. Ensuite, le code implémenté préliminaire est développé pour résoudre le problème de l'échangeur de chaleur compact. Premièrement, le modèle développé est appliquée à la surface CF-7.0-5/8J prise de littérature. Selon la condition de fonctionnement fournie par Pratt & Whitney Canada, le débit massique d'aire est considéré comme une variable. Donc, les résultats obtenus par la méthode ε-NTU pour la surface sélectionnée seront illustrés le comportement d'un échangeur de chaleur compact en fonction de débit massique d'air. On observe qu'en augmentant le débit massique d'air, le coefficient de transfert de chaleur global augmente et les dimensions de l'échangeur diminuent. Bien que, pour une faible valeur du débit massique d'air, la perte de pression diminue en raison du frottement du noyau de l'échangeur, dans le cas d'un débit massique élevé, la perte de pression augmente en raison de la vitesse de l'écoulement. L'augmentation du diamètre intérieur des tuyaux, augmente le taux de transfert de chaleur en très petites quantités grâce à la diminution de résistance thermique conductive à travers la paroi des tuyaux. Donc, l'effet d'augmentation de diamètre intérieur peut être considéré comme négligeable.

Abstract

Pratt & Whitney Canada as a global aerospace leader and one of the major aircraft engine manufacturers has initiated a project to develop new technology and unique engine for different aerospace application. The overall design of an aircraft engine requires having a heat exchanger to extract heat from coolant. As the weight is an important factor in aerospace design, therefore, designing a compact and efficient heat exchanger is always a challenge for aircraft designers. In order to address this challenge, the ε-NTU method is implemented using MATLAB to solve rating and sizing problems related to design procedure. The single-point verification of the implemented code is performed to verify the functioning of the MATLAB code. As the analysis of the heat exchanger is a multi-faceted problem that deals with numerous parameters due to the operating condition. The verification is performed for an intercooler using ε-NTU method and it demonstrated a difference of less than 5%. Then, the preliminary implemented code is expanded to solve the compact heat exchanger problem. First, the developed model is applied to the surface CF-7.0-5/8J taken from literature. Depending on the operating condition provided by Pratt & Whitney Canada, the air mass flow rate is considered as a variable. Therefore, results obtained by the ε-NTU method for the selected surface will be presented the behavior of compact heat exchanger as the function of air mass flow rate. It is observed that by increasing air mass flow rate overall heat transfer coefficient increases and exchanger dimensions decrease. Although, for the low values of air mass flow, pressure drop decreases due to the core friction, in the case of high mass flow rate, the pressure drop increases due to the mass velocity. Increasing the tube inner diameter increases the heat transfer rate in very small amounts dur to the decrease of conductive thermal resistance through the tube wall. Therefore, the effect of increasing tube inner diameter can be considered negligible. Furthermore, the effect of the fin pitch and transverse pitch were analyzed on four surfaces, CF- 7.34 and CF-8.72, CF-8.7-5/8J (a) and CF-8.7-5/8J (b), side by side. As a result, increasing fin pitch increase overall heat transfer coefficient and decreases pressure drop, while increasing transverse pitch decrease both overall heat transfer coefficient and pressure drop.