1 

Heat Exchanger   

 Engineering Design 100 Section 09, Team 7 

Elijah Gibbins, Yuyang Wang, Lichen Zheng, Roshana Molligoda, Chris Gantwarg Submitted by Chris Gantwarg  

Submitted April 29, 2016          

 

2 

Abstract: For the second design project, the design process to redesign a traditionally manufactured air­flow through heat exchanger for additive manufacturing (AM) was gone through. This design report covers the second design project for the EDSGN 100 course, fully displayed through design plans, tables and graphs.                           

           

3 

Table of Contents   

Cover Page…………………………………………………...….Chris Gantwarg  Abstract……………………………………………………... Roshana Molligoda  Table of Contents………………………………………….……….Lichen Zheng  Introduction……………………………….. Yuyang Wang, Roshana Molligoda  Description of the Design Task……………… Chris Gantwarg, Elijah Gibbins  Design Approach…………………………………………………..Lichen Zheng  Design Matrix………………………………....….Yuyang Wang, Lichen Zheng  Design Specification………………………….….…………Roshana Molligoda  The Final Design and Prototype………...…...Chris Gantwarg, Elijah Gibbins  Engineering Analysis……………………………………………..Elijah Gibbins  Summary and Conclusion……………………………..…..Roshana Molligoda  Powerpoint Presentation Slides……………...Lichen Zheng, Chris Gantwarg  Tri­fold Brochure…………………………….…………………..Chris Gantwarg  Acknowledgments…………………...………………………….Chris Gantwarg  

4 

       Introduction:  

As the second design project for the EDSGN 100 course, each group had to choose one of the five projects provided by the Lockheed Martin. The five projects are Additively Manufactured Heat Exchanger, Sensitive Payload Shock Absorber, Connector Backshells, USB Hub Mounting Bracket and  Design for Additive. Team 7 decided to choose the first project which requires the redesign of an existing heat exchanger. In order to improve the efficiency of heat transfer, Team 7 designed a completely new internal geometry for the heat exchanger. Also the material was changed to Aluminum to make it the most cost effective. The following pages will document the project in its entirety.                            

5 

      Description of Design Task Problem Statement:  “To create a better design for Lockheed Martin’s current circuit heat exchanger without changing or jeopardizing the design protocols in order to save money and time”   Mission Statement: “To design a better heat exchanger via additive manufacturing keeping in mind the specifications of the assignment”   Specifications:  

­ Redesign an existing heat exchanger by choosing a different material and  proper process.  

 ­ Choose a proper Additive Manufacturing process and material for the heat exchanger. 

             → Cost and build time must be taken into account              → Sample part can be built using plastic additive technology, but differences in design                    between plastic­built part and actual part should be reported.   

­ Overall size factor and CCA mating features must remains as it is  

­ Internal air­flow thru geometry can change, but surface area must remain constant.               

6 

        Design Process/approach ­ Design Matrix Gantt Chart  

 

                     

                     

                 

                   

                   

                     

                     

Concept Generation Design 1: A regular hexagon design inspired by the honeycomb. Hexagon uses least material in a given volume, means there are more space that allow air to flow through the exchanger.  

7 

   Design 2: Adding small triangles between the fins of the original design, increase the surface area of the fins. 

 Design 3: Change the original design material to copper.  Design 4: Apply a layer of thermal paste on the inside shell of the heat exchanger. 

8 

   Design 5: Creating two types of tube inside the heat exchanger, type one contain cold air, and type two contain hot air. The whole system circulates in order to exchange heat.  Design Selection Matrices  

Criteria    Hexagon Design 

Triangle Design 

Copper Exchanger 

Thermal Paste  

Circulate Exchanger  

             

Build time    ­  0  0  +  0 

cost    0  ­  ­  +  + 

heat transfer coefficient 

  ­  0  +  0  + 

Toughness     +  +  ­  ­  + 

Melting point    0  0  +  ­  0 

Maintenance ease 

  0  ­  0  ­  0 

Gases flow    0  0  ­  ­  + 

             

9 

Number of +    1  1  2  2  4 

Number of ­    2  2  3  4  0 

Number of 0    4  4  2  1  3 

Net score    ­1  ­1  ­1  ­2  4 

Rank    2  2  2  5  1 

The Circulate Exchanger had the best net score, so it became the design.                                  

10 

Prototype/Model 

 

11 

 

12 

  

13 

Analysis:  

Team 7’s additively manufactured heat exchanger stemmed quite far from the original heat exchanger provided by Lockheed Martin. The internal structure of the heat exchanger was completely changed in order to pursue an approach of heat transfer and thermodynamics. Even though the heat exchanger looks far different from the original, it is still within the design specifications. The new design keeps the overall size factor as­is and keeps the internal surface area constant. The only thing changed between this design and the original was the internal air­flow thru geometry. 

 Lockheed Martin did not provide much information about weight, cost, coolant, etc. for 

their design, so there was not much to go off of from the start. The biggest problem team 7 faced was whether to design a heat exchanger that would use air or liquid as the coolant, since Lockheed Martin never stated if they sue air or liquid. Team 7 decided that using air was the right approach. The results of the work was a heat exchanger capable of being the constant medium between an area of warm air on one side and an area of cool air on the other side, which made the heat exchanger effective at what it was designed to do.                           

14 

Summary and Conclusion:  Summary: 

As an overall summary, Team 7 worked diligently towards redesigning the heat exchanger. They approached the task through initially examining the concept of heat exchanging and how both the hot and cold fluids do not come into direct contact. With the base model that Lockheed Martin provided, Team 7 worked their way in figuring out which design would best meet the specifications. Even though they struggled in the designing process due to the lack of information from Lockheed Martin, at the end, Team 7 was able to come up with an effective design which completely meets the purpose of a heat exchanger. The prototype did not come out as requested, but at the end Team 7 feels that they have an overall sense of accomplishment for the second design project.   Conclusion: 

While the first design project  was an introduction to the overall design process, Team 7 obtained a greater sense of real life work through the second one. By being provided by a real life scenario, it allowed Team 7 to think of how they can improve the existing design and increase the effectiveness of the heat exchanging process. While they were not able to present their design in the design showcase, Team 7 felt that this project allowed them to better understand the struggles of engineering design and how many factors have to be taken into consideration to produce a successful outcome.                        

15 

PowerPoint  

 

 

 

      

16 

Brochure  

 

17 

                   

18 

Acknowledgements: Thank you Lockheed Martin for presenting the idea to Penn State for this year’s 

Engineering Design 100 competition. Thank you Xinli Wu for the teachings and help with the creation of this design project. Also, thank you Penn State for the presenting the necessary materials, such as Solidworks, to create this project. Lastly, thank you Maker Commons for 3D printing the prototype.