Componentă chimică a tuburilor spiralate din oțel inoxidabil 304, Analiza termodinamică a nanofoilor de grafen funcționalizate covalent și necovalent în tuburi rotunde echipate cu turbulatoare

Vă mulțumim că ați vizitat Nature.com.Utilizați o versiune de browser cu suport limitat pentru CSS.Pentru cea mai bună experiență, vă recomandăm să utilizați un browser actualizat (sau să dezactivați Modul de compatibilitate în Internet Explorer).În plus, pentru a asigura suport continuu, arătăm site-ul fără stiluri și JavaScript.
Glisoare care arată trei articole pe diapozitiv.Utilizați butoanele înapoi și următorul pentru a vă deplasa prin diapozitive sau butoanele controlerului de diapozitive de la sfârșit pentru a vă deplasa prin fiecare diapozitiv.

304 10*1mm Tuburi spiralate din oțel inoxidabil în China

Dimensiune: 3/4 inch, 1/2 inch, 1 inch, 3 inch, 2 inch

Lungimea țevii unității: 6 metri

Calitatea oțelului: 201, 304 și 316

Gradul: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,

Material: OTEL INOX

Stare: Nou

Nanofluidele covalente și necovalente au fost testate în tuburi rotunde echipate cu inserții de bandă răsucite cu unghiuri de spirală de 45° și 90°.Numărul Reynolds a fost 7000 ≤ Re ≤ 17000, proprietățile termofizice au fost evaluate la 308 K. Modelul fizic este rezolvat numeric folosind un model de vâscozitate turbulentă cu doi parametri (turbulența SST k-omega).Concentrațiile (0,025% în greutate, 0,05% în greutate și 0,1% în greutate) ale nanofluidelor ZNP-SDBS@DV și ZNP-COOH@DV au fost luate în considerare în lucrare.Pereții tuburilor răsucite sunt încălzite la o temperatură constantă de 330 K. În studiul curent au fost luați în considerare șase parametri: temperatura de ieșire, coeficientul de transfer termic, numărul mediu Nusselt, coeficientul de frecare, pierderea de presiune și criteriile de evaluare a performanței.În ambele cazuri (unghiul elicei de 45° și 90°), nanofluidul ZNP-SDBS@DV a prezentat caracteristici termo-hidraulice mai mari decât ZNP-COOH@DV și a crescut odată cu creșterea fracției de masă, de exemplu, 0,025 în greutate.şi 0,05 în greutate.este 1,19.% și 1,26 – 0,1 % în greutate.În ambele cazuri (unghiul elicei 45° și 90°), valorile caracteristicilor termodinamice la utilizarea GNP-COOH@DW sunt 1,02 pentru 0,025% greutate, 1,05 pentru 0,05% greutate.şi 1,02 pentru 0,1% în greutate.
Schimbătorul de căldură este un dispozitiv termodinamic 1 utilizat pentru a transfera căldură în timpul operațiunilor de răcire și încălzire.Proprietățile termo-hidraulice ale schimbătorului de căldură îmbunătățesc coeficientul de transfer de căldură și reduc rezistența fluidului de lucru.Au fost dezvoltate mai multe metode pentru a îmbunătăți transferul de căldură, inclusiv amplificatori de turbulență2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 și nanofluide12,13,14,15.Introducerea benzii răsucite este una dintre cele mai de succes metode de îmbunătățire a transferului de căldură în schimbătoarele de căldură datorită ușurinței sale de întreținere și a costului redus7,16.
Într-o serie de studii experimentale și computaționale, au fost studiate proprietățile hidrotermale ale amestecurilor de nanofluide și schimbătoare de căldură cu inserții de bandă răsucite.Într-o lucrare experimentală, proprietățile hidrotermale a trei nanofluide metalice diferite (Ag@DW, Fe@DW și Cu@DW) au fost studiate într-un schimbător de căldură cu bandă răsucită cu ac (STT)17.Comparativ cu conducta de bază, coeficientul de transfer de căldură al STT este îmbunătățit cu 11% și 67%.Dispunerea SST este cea mai bună din punct de vedere economic din punct de vedere al eficienței cu parametrul α = β = 0,33.În plus, s-a observat o creștere de 18,2% în n cu Ag@DW, deși creșterea maximă a pierderii de presiune a fost de numai 8,5%.Procesele fizice de transfer de căldură și pierderea de presiune în țevi concentrice cu și fără turbulatoare spiralate au fost studiate folosind fluxuri turbulente de nanofluid Al2O3@DW cu convecție forțată.Numărul maxim mediu de Nusselt (Nuavg) și pierderea de presiune sunt observate la Re = 20.000 când pasul bobinei = 25 mm și Al2O3@DW nanofluid 1,6 vol.%.De asemenea, au fost efectuate studii de laborator pentru a studia caracteristicile transferului de căldură și pierderii de presiune ale nanofluidelor de oxid de grafen (GO@DW) care curg prin tuburi aproape circulare cu inserții WC.Rezultatele au arătat că 0,12% vol.-GO@DW a crescut coeficientul de transfer de căldură convectiv cu aproximativ 77%.Într-un alt studiu experimental, nanofluidele (TiO2@DW) au fost dezvoltate pentru a studia caracteristicile termo-hidraulice ale tuburilor cu gropițe prevăzute cu inserții de bandă răsucite20.Eficiența hidrotermală maximă de 1,258 a fost atinsă utilizând 0,15 vol%-TiO2@DW înglobat în arbori înclinați la 45° cu un factor de răsucire de 3,0.Modelele de simulare monofazice și bifazate (hibride) iau în considerare fluxul și transferul de căldură al nanofluidelor CuO@DW la diferite concentrații de solide (1–4% vol.%)21.Randamentul termic maxim al unui tub introdus cu o bandă răsucită este de 2,18, iar un tub introdus cu două benzi răsucite în aceleași condiții este de 2,04 (model în două faze, Re = 36.000 și 4 vol.%).A fost studiat fluxul de nanofluid turbulent non-newtonian de carboximetil celuloză (CMC) și oxid de cupru (CuO) în conductele principale și conductele cu inserții răsucite.Nuavg prezintă o îmbunătățire de 16,1% (pentru conducta principală) și 60% (pentru conducta spiralată cu un raport de (H/D = 5)).În general, un raport de răsucire la panglică mai mic are ca rezultat un coeficient de frecare mai mare.Într-un studiu experimental, efectul țevilor cu bandă răsucită (TT) și bobine (VC) asupra proprietăților transferului de căldură și coeficientului de frecare a fost studiat folosind nanofluide CuO@DW.Folosind 0,3 vol.%-CuO@DW la Re = 20.000 face posibilă creșterea transferului de căldură în conducta VK-2 până la o valoare maximă de 44,45%.În plus, atunci când se utilizează un cablu cu pereche răsucită și o inserție de bobină în aceleași condiții la limită, coeficientul de frecare crește cu factori de 1,17 și 1,19 în comparație cu DW.În general, eficiența termică a nanofluidelor introduse în bobine este mai bună decât cea a nanofluidelor inserate în fire cu toroane.Caracteristica volumetrică a unui flux de nanofluid turbulent (MWCNT@DW) a fost studiată în interiorul unui tub orizontal introdus într-un fir spiralat.Parametrii de performanță termică au fost > 1 pentru toate cazurile, indicând faptul că combinația de nanofluidice cu inserția bobinei îmbunătățește transferul de căldură fără a consuma puterea pompei.Rezumat — Caracteristicile hidrotermale ale unui schimbător de căldură cu două conducte cu diferite inserții realizate dintr-o bandă în formă de V răsucită-răsucită modificată (VcTT) au fost studiate în condițiile unui flux turbulent al nanofluidului Al2O3 + TiO2@DW.În comparație cu DW din tuburile de bază, Nuavg are o îmbunătățire semnificativă de 132% și un coeficient de frecare de până la 55%.În plus, a fost discutată eficiența energetică a nanocompozitului Al2O3+TiO2@DW într-un schimbător de căldură cu două conducte26.În studiul lor, ei au descoperit că utilizarea Al2O3 + TiO2@DW și TT a îmbunătățit eficiența exergiei în comparație cu DW.În schimbătoarele de căldură tubulare concentrice cu turbulatoare VcTT, Singh și Sarkar27 au folosit materiale cu schimbare de fază (PCM), nanofluide dispersate simple/nanocompozite (Al2O3@DW cu PCM și Al2O3 + PCM).Ei au raportat că transferul de căldură și pierderea de presiune cresc pe măsură ce coeficientul de răsucire scade și concentrația de nanoparticule crește.Un factor mai mare de adâncime a crestăturii în V sau un factor de lățime mai mic poate oferi un transfer de căldură și o pierdere de presiune mai mare.În plus, grafen-platină (Gr-Pt) a fost folosită pentru a investiga căldura, frecarea și rata generală de generare a entropiei în tuburile cu inserții 2-TT28.Studiul lor a arătat că un procent mai mic de (Gr-Pt) a redus semnificativ generarea de entropie de căldură în comparație cu o dezvoltare a entropiei de frecare relativ mai mare.Nanofluidele amestecate de Al2O3@MgO și WC conic pot fi considerate un amestec bun, deoarece un raport crescut (h/Δp) poate îmbunătăți performanța hidrotermală a unui schimbător de căldură cu două tuburi 29 .Un model numeric este utilizat pentru a evalua performanța de economisire a energiei și de mediu a schimbătoarelor de căldură cu diferite nanofluide hibride din trei părți (THNF) (Al2O3 + grafen + MWCNT) suspendate în DW30.Datorită criteriilor sale de evaluare a performanței (PEC) în intervalul 1,42–2,35, este necesară o combinație de inserție de turbulizor răsucit deprimat (DTTI) și (Al2O3 + grafen + MWCNT).
Până în prezent, s-a acordat puțină atenție rolului funcționalizării covalente și necovalente în fluxul hidrodinamic în fluidele termice.Scopul specific al acestui studiu a fost de a compara caracteristicile termo-hidraulice ale nanofluidelor (ZNP-SDBS@DV) și (ZNP-COOH@DV) în inserții de bandă răsucite cu unghiuri de helix de 45° și 90°.Proprietățile termofizice au fost măsurate la Staniu = 308 K. În acest caz, trei fracții de masă au fost luate în considerare în procesul de comparare, cum ar fi (0,025% în greutate, 0,05% în greutate și 0,1% în greutate).Transferul tensiunii de forfecare în modelul de curgere turbulent 3D (SST k-ω) este utilizat pentru a rezolva caracteristicile termo-hidraulice.Astfel, acest studiu aduce o contribuție semnificativă la studiul proprietăților pozitive (transfer de căldură) și proprietăților negative (căderea de presiune la frecare), demonstrând caracteristicile termo-hidraulice și optimizarea fluidelor reale de lucru în astfel de sisteme inginerești.
Configurația de bază este o țeavă netedă (L = 900 mm și Dh = 20 mm).Dimensiuni bandă răsucită introdusă (lungime = 20 mm, grosime = 0,5 mm, profil = 30 mm).În acest caz, lungimea, lățimea și cursa profilului spirală au fost de 20 mm, 0,5 mm și, respectiv, 30 mm.Benzile răsucite sunt înclinate la 45° și 90°.Diverse fluide de lucru, cum ar fi DW, nanofluide necovalente (GNF-SDBS@DW) și nanofluide covalente (GNF-COOH@DW) la staniu = 308 K, trei concentrații de masă diferite și numere Reynolds diferite.Testele au fost efectuate în interiorul schimbătorului de căldură.Peretele exterior al tubului spiralat a fost încălzit la o temperatură constantă a suprafeței de 330 K pentru a testa parametrii pentru îmbunătățirea transferului de căldură.
Pe fig.1 prezintă schematic un tub de inserare a benzii răsucite cu condiții limită aplicabile și zonă de plasă.După cum sa menționat mai devreme, condițiile limită de viteză și presiune se aplică porțiunilor de intrare și ieșire ale helixului.La o temperatură constantă a suprafeței, pe peretele țevii este impusă o condiție anti-alunecare.Simularea numerică actuală utilizează o soluție bazată pe presiune.În același timp, un program (ANSYS FLUENT 2020R1) este utilizat pentru a converti o ecuație diferențială parțială (PDE) într-un sistem de ecuații algebrice folosind metoda volumului finit (FMM).Metoda SIMPLE de ordinul doi (metoda semi-implicita pentru ecuatii secventiale dependente de presiune) este legata de viteza-presiune.Trebuie subliniat faptul că convergența reziduurilor pentru ecuațiile de masă, impuls și energie este mai mică decât 103 și, respectiv, 106.
p Diagrama domeniilor fizice și de calcul: (a) unghiul helixului 90°, (b) unghiul helixului 45°, (c) fără lamă elicoidală.
Un model omogen este utilizat pentru a explica proprietățile nanofluidelor.Prin încorporarea nanomaterialelor în fluidul de bază (DW), se formează un fluid continuu cu proprietăți termice excelente.În acest sens, temperatura și viteza fluidului de bază și a nanomaterialului au aceeași valoare.Datorită teoriilor și ipotezelor de mai sus, fluxul monofazat eficient funcționează în acest studiu.Mai multe studii au demonstrat eficacitatea și aplicabilitatea tehnicilor monofazate pentru fluxul nanofluid31,32.
Fluxul de nanofluide trebuie să fie newtonian turbulent, incompresibil și staționar.Lucrările de compresie și încălzirea vâscoasă sunt irelevante în acest studiu.În plus, grosimea pereților interiori și exteriori ai țevii nu este luată în considerare.Prin urmare, ecuațiile de conservare a masei, impulsului și energiei care definesc modelul termic pot fi exprimate după cum urmează:
unde \(\overrightarrow{V}\) este vectorul viteză medie, Keff = K + Kt este conductivitatea termică efectivă a nanofluidelor covalente și necovalente și ε este rata de disipare a energiei.Proprietățile termofizice eficiente ale nanofluidelor, inclusiv densitatea (ρ), vâscozitatea (μ), capacitatea termică specifică (Cp) și conductivitatea termică (k), prezentate în tabel, au fost măsurate în timpul unui studiu experimental la o temperatură de 308 K1 atunci când sunt utilizate în aceste simulatoare.
Simulări numerice ale fluxului de nanofluid turbulent în tuburi convenționale și TT au fost efectuate la numerele Reynolds 7000 ≤ Re ≤ 17000. Aceste simulări și coeficienții de transfer de căldură convectivi au fost analizați folosind modelul de turbulență κ-ω al lui Mentor al transferului de forfecare (SST) mediat peste turbulența Reynold. modelul Navier-Stokes, folosit în mod obișnuit în cercetarea aerodinamică.În plus, modelul funcționează fără funcție de perete și este precis lângă pereții 35,36.(SST) κ-ω ecuațiile care guvernează modelul de turbulență sunt după cum urmează:
unde \(S\) este valoarea vitezei de deformare și \(y\) este distanța până la suprafața adiacentă.Între timp, \({\alpha}_{1}\), \({\alpha}_{2}\), \({\beta}_{1}\), \({\beta}_{ 2 }\), \({\beta}^{*}\), \({\sigma}_{{k}_{1}}\), \({\sigma}_{{k}_{ 2 }}\), \({\sigma}_{{\omega}_{1}}\) și \({\sigma}_{{\omega}_{2}}\) indică toate constantele modelului.F1 și F2 sunt funcții mixte.Notă: F1 = 1 în stratul limită, 0 în fluxul care se apropie.
Parametrii de evaluare a performanței sunt utilizați pentru a studia transferul de căldură convectiv turbulent, fluxul de nanofluid covalent și necovalent, de exemplu31:
În acest context, (\(\rho\)), (\(v\)), (\({D}_{h}\)) și (\(\mu\)) sunt utilizate pentru densitate, viteza fluidului , diametrul hidraulic și vâscozitatea dinamică.(\({C}_{p}\, \mathrm{u}\, k\)) – capacitatea termică specifică și conductibilitatea termică a fluidului care curge.De asemenea, (\(\dot{m}\)) se referă la debitul de masă, iar (\({T}_{out}-{T}_{in}\)) se referă la diferența de temperatură la intrare și la ieșire.(NFs) se referă la nanofluide covalente, necovalente, iar (DW) se referă la apă distilată (fluid de bază).\({A}_{s} = \pi DL\), \({\overline{T}}_{f}=\frac{\left({T}_{out}-{T}_{in }\right)}{2}\) și \({\overline{T}}_{w}=\sum \frac{{T}_{w}}{n}\).
Proprietățile termofizice ale fluidului de bază (DW), nanofluidului necovalent (GNF-SDBS@DW) și nanofluidului covalent (GNF-COOH@DW) au fost preluate din literatura publicată (studii experimentale), Sn = 308 K, ca prezentate în Tabelul 134. Într-un experiment tipic pentru obținerea unui nanofluid necovalent (GNP-SDBS@DW) cu procente de masă cunoscute, anumite grame de GNP primare au fost cântărite inițial pe o balanță digitală.Raportul de greutate SDBS/PNB nativ este (0,5:1) ponderat în DW.În acest caz, nanofluidele covalente (COOH-GNP@DW) au fost sintetizate prin adăugarea de grupări carboxil la suprafața GNP folosind un mediu puternic acid cu un raport de volum (1:3) de HNO3 și H2SO4.Nanofluidele covalente și necovalente au fost suspendate în DW la trei procente de greutate diferite, cum ar fi 0,025% în greutate, 0,05% în greutate.și 0,1% din masă.
Testele de independență a rețelei au fost efectuate în patru domenii de calcul diferite pentru a se asigura că dimensiunea rețelei nu afectează simularea.În cazul conductei de torsiune la 45°, numărul de unități cu dimensiunea unității de 1,75 mm este de 249.033, numărul de unități cu dimensiunea unității de 2 mm este de 307.969, numărul de unități cu dimensiunea unității de 2,25 mm este de 421.406, iar numărul de unități cu dimensiunea unității 2 .5 mm 564 940 respectiv.În plus, în exemplul unei țevi răsucite la 90°, numărul de elemente cu dimensiunea elementului de 1,75 mm este de 245.531, numărul de elemente cu dimensiunea elementului de 2 mm este de 311.584, numărul de elemente cu dimensiunea elementului de 2,25 mm este 422.708, iar numărul de elemente cu dimensiunea elementului de 2,5 mm este respectiv 573.826.Precizia citirilor proprietăților termice, cum ar fi (Tout, htc și Nuavg) crește pe măsură ce numărul de elemente scade.În același timp, precizia valorilor coeficientului de frecare și căderii de presiune a arătat un comportament complet diferit (Fig. 2).Grila (2) a fost utilizată ca zonă principală a grilei pentru a evalua caracteristicile termo-hidraulice în cazul simulat.
Testarea transferului de căldură și a performanței căderii de presiune independent de plasă, folosind perechi de tuburi DW răsucite la 45° și 90°.
Rezultatele numerice prezente au fost validate pentru performanța transferului de căldură și coeficientul de frecare folosind corelații și ecuații empirice bine cunoscute precum Dittus-Belter, Petukhov, Gnelinsky, Notter-Rouse și Blasius.Comparația a fost efectuată în condiția 7000≤Re≤17000.Conform fig.3, erorile medii și maxime dintre rezultatele simulării și ecuația transferului de căldură sunt 4,050 și 5,490% (Dittus-Belter), 9,736 și 11,33% (Petukhov), 4,007 și 7,483% (Gnelinsky) și 3,883% și 4,937% (4. Nott-Belter).Trandafir).În acest caz, erorile medii și maxime dintre rezultatele simulării și ecuația coeficientului de frecare sunt 7,346% și 8,039% (Blasius) și, respectiv, 8,117% și 9,002% (Petukhov).
Transferul de căldură și proprietățile hidrodinamice ale DW la diferite numere Reynolds folosind calcule numerice și corelații empirice.
Această secțiune discută proprietățile termice ale nanofluidelor apoase necovalente (LNP-SDBS) și covalente (LNP-COOH) la trei fracții de masă diferite și numerele Reynolds ca medii raportate la fluidul de bază (DW).Pentru 7000 ≤ Re ≤ 17000 sunt discutate două geometrii ale schimbătoarelor de căldură cu bandă spiralată (unghi elice 45° și 90°).4 arată temperatura medie la ieșirea nanofluidului în fluidul de bază (DW) (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{ DW}}\)) la (0,025% în greutate, 0,05% în greutate şi 0,1% în greutate).(\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) este întotdeauna mai mică decât 1, ceea ce înseamnă că temperatura de ieșire este necovalent (VNP-SDBS) și nanofluide covalente (VNP-COOH) sunt sub temperatura la ieșirea lichidului de bază.Reducerile cele mai mici și cele mai mari au fost 0,1% în greutate -COOH@GNP și, respectiv, 0,1% în greutate -SDBS@GNP.Acest fenomen se datorează unei creșteri a numărului Reynolds la o fracție de masă constantă, ceea ce duce la o modificare a proprietăților nanofluidului (adică a densității și a vâscozității dinamice).
Figurile 5 și 6 arată caracteristicile medii de transfer de căldură ale nanofluidului la fluid de bază (DW) la (0,025% în greutate, 0,05% în greutate și 0,1% în greutate).Proprietățile medii de transfer de căldură sunt întotdeauna mai mari decât 1, ceea ce înseamnă că proprietățile de transfer de căldură ale nanofluidelor necovalente (LNP-SDBS) și covalente (LNP-COOH) sunt îmbunătățite în comparație cu fluidul de bază.0,1% în greutate -COOH@GNP și 0,1% în greutate -SDBS@GNP au obținut cel mai mic și, respectiv, cel mai mare câștig.Când numărul Reynolds crește din cauza amestecării mai mari a fluidului și a turbulenței în conducta 1, performanța transferului de căldură se îmbunătățește.Fluidele prin goluri mici ating viteze mai mari, rezultând un strat limită viteză/căldură mai subțire, care crește viteza de transfer de căldură.Adăugarea mai multor nanoparticule la fluidul de bază poate avea rezultate atât pozitive, cât și negative.Efectele benefice includ coliziuni crescute de nanoparticule, cerințe favorabile de conductivitate termică a fluidului și transfer de căldură îmbunătățit.
Coeficientul de transfer de căldură al nanofluidului la fluidul de bază în funcție de numărul Reynolds pentru tuburile de 45° și 90°.
În același timp, un efect negativ este creșterea vâscozității dinamice a nanofluidului, care reduce mobilitatea nanofluidului, reducând astfel numărul mediu Nusselt (Nuavg).Conductivitatea termică crescută a nanofluidelor (ZNP-SDBS@DW) și (ZNP-COOH@DW) ar trebui să se datoreze mișcării browniene și microconvecției nanoparticulelor de grafen suspendate în DW37.Conductivitatea termică a nanofluidului (ZNP-COOH@DV) este mai mare decât cea a nanofluidului (ZNP-SDBS@DV) și a apei distilate.Adăugarea mai multor nanomateriale la fluidul de bază crește conductivitatea termică a acestora (Tabelul 1)38.
Figura 7 ilustrează coeficientul mediu de frecare al nanofluidelor cu fluidul de bază (DW) (f(NFs)/f(DW)) în procente de masă (0,025%, 0,05% și 0,1%).Coeficientul mediu de frecare este întotdeauna ≈1, ceea ce înseamnă că nanofluidele necovalente (GNF-SDBS@DW) și covalente (GNF-COOH@DW) au același coeficient de frecare ca fluidul de bază.Un schimbător de căldură cu mai puțin spațiu creează mai multă obstrucție a fluxului și crește frecarea fluxului1.Practic, coeficientul de frecare crește ușor odată cu creșterea fracției de masă a nanofluidului.Pierderile mai mari prin frecare sunt cauzate de vâscozitatea dinamică crescută a nanofluidului și de stresul de forfecare crescut pe suprafață cu un procent mai mare de masă de nanografen în fluidul de bază.Tabelul (1) arată că vâscozitatea dinamică a nanofluidului (ZNP-SDBS@DV) este mai mare decât cea a nanofluidului (ZNP-COOH@DV) la același procent de greutate, care este asociat cu adăugarea efectelor de suprafață.agenți activi pe un nanofluid necovalent.
Pe fig.8 prezintă nanofluid în comparație cu fluidul de bază (DW) (\(\frac{{\Delta P}_{NFs}}{{\Delta P}_{DW}\)) la (0,025%, 0,05% și 0,1% ).Nanofluidul necovalent (GNPs-SDBS@DW) a prezentat o pierdere medie de presiune mai mare și cu o creștere a procentului de masă la 2,04% pentru 0,025% în greutate, 2,46% pentru 0,05% în greutate.şi 3,44% pentru 0,1% în greutate.cu mărirea carcasei (unghiul elicei 45° și 90°).Între timp, nanofluidul (GNPs-COOH@DW) a prezentat o pierdere medie de presiune mai mică, crescând de la 1,31% la 0,025% în greutate.până la 1,65% la 0,05% în greutate.Pierderea medie de presiune de 0,05% în greutate -COOH@NP și 0,1% în greutate -COOH@NP este de 1,65%.După cum se poate observa, căderea de presiune crește odată cu creșterea numărului Re în toate cazurile.O cădere de presiune crescută la valori Re ridicate este indicată de o dependență directă de debitul volumic.Prin urmare, un număr Re mai mare în tub duce la o cădere de presiune mai mare, ceea ce necesită o creștere a puterii pompei39,40.În plus, pierderile de presiune sunt mai mari datorită intensității mai mari a turbulențelor și turbulențelor generate de suprafața mai mare, ceea ce crește interacțiunea forțelor de presiune și inerție în stratul limită1.
În general, criteriile de evaluare a performanței (PEC) pentru nanofluidele necovalente (VNP-SDBS@DW) și covalente (VNP-COOH@DW) sunt prezentate în Fig.9. Nanofluid (ZNP-SDBS@DV) a prezentat valori PEC mai mari decât (ZNP-COOH@DV) în ambele cazuri (unghiul elicei 45° și 90°) și a fost îmbunătățit prin creșterea fracției de masă, de exemplu, 0,025 % în greutateeste 1,17, 0,05% în greutate este 1,19 și 0,1% în greutate este 1,26.Între timp, valorile PEC utilizând nanofluide (GNPs-COOH@DW) au fost 1,02 pentru 0,025% în greutate, 1,05 pentru 0,05% în greutate, 1,05 pentru 0,1% în greutate.în ambele cazuri (unghiul elicei 45° și 90°).1.02.De regulă, odată cu creșterea numărului Reynolds, eficiența termo-hidraulică scade semnificativ.Pe măsură ce numărul Reynolds crește, scăderea coeficientului de eficiență termo-hidraulic este asociată sistematic cu o creștere a (NuNFs/NuDW) și o scădere a (fNFs/fDW).
Proprietățile hidrotermale ale nanofluidelor în raport cu fluidele de bază în funcție de numerele Reynolds pentru tuburile cu unghiuri de 45° și 90°.
Această secțiune discută proprietățile termice ale nanofluidelor apei (DW), necovalente (VNP-SDBS@DW) și covalente (VNP-COOH@DW) la trei concentrații de masă diferite și numere Reynolds.Două geometrii de schimbător de căldură cu bandă spiralată au fost luate în considerare în intervalul 7000 ≤ Re ≤ 17000 în raport cu țevile convenționale (unghiuri elice 45° și 90°) pentru a evalua performanța termo-hidraulică medie.Pe fig.10 arată temperatura apei și a nanofluidelor la ieșire ca o medie folosind (unghiul elicei 45° și 90°) pentru o țeavă comună (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{ {T} _{out}}_{Regular}}\)).Nanofluidele necovalente (GNP-SDBS@DW) și covalente (GNP-COOH@DW) au trei fracțiuni diferite în greutate, cum ar fi 0,025% în greutate, 0,05% în greutate și 0,1% în greutate.După cum se arată în fig.11, valoarea medie a temperaturii de ieșire (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{{T}_{out}}_{Plain}}\)) > 1, indicând faptul că (unghiul de spirală de 45° și 90°) temperatura la ieșirea schimbătorului de căldură este mai semnificativă decât cea a unei conducte convenționale, datorită intensității mai mari a turbulențelor și amestecării mai bune a lichidului.În plus, temperatura la ieșirea din DW, nanofluidele necovalente și covalente a scăzut odată cu creșterea numărului Reynolds.Fluidul de bază (DW) are cea mai mare temperatură medie de ieșire.Între timp, cea mai mică valoare se referă la 0,1% în greutate-SDBS@GNPs.Nanofluidele non-covalente (GNPs-SDBS@DW) au prezentat o temperatură medie de ieșire mai scăzută în comparație cu nanofluidele covalente (GNPs-COOH@DW).Deoarece banda răsucită face câmpul de curgere mai amestecat, fluxul de căldură din apropierea peretelui poate trece mai ușor prin lichid, crescând temperatura generală.Un raport mai mic de răsucire la bandă are ca rezultat o penetrare mai bună și, prin urmare, un transfer de căldură mai bun.Pe de altă parte, se poate observa că banda rulată menține o temperatură mai scăzută pe perete, ceea ce la rândul său crește Nuavg.Pentru inserțiile de bandă răsucite, o valoare Nuavg mai mare indică un transfer de căldură convectiv îmbunătățit în interiorul tubului22.Datorită traseului de curgere crescut și amestecării și turbulențelor suplimentare, timpul de rezidență crește, rezultând o creștere a temperaturii lichidului la ieșire41.
Numărul Reynolds de diferite nanofluide în raport cu temperatura de ieșire a tuburilor convenționale (unghiuri de helix de 45° și 90°).
Coeficienții de transfer de căldură (unghiul elicei de 45° și 90°) față de numerele Reynolds pentru diferite nanofluide în comparație cu tuburile convenționale.
Mecanismul principal al transferului de căldură îmbunătățit cu bandă bobină este următorul: 1. Reducerea diametrului hidraulic al tubului de schimb de căldură duce la o creștere a vitezei de curgere și a curburii, care, la rândul său, crește forța de forfecare la perete și promovează mișcarea secundară.2. Din cauza blocării benzii de înfășurare, viteza la peretele țevii crește, iar grosimea stratului limită scade.3. Fluxul spiralat în spatele curelei răsucite duce la o creștere a vitezei.4. Vortexurile induse îmbunătățesc amestecarea fluidelor între regiunile centrale și apropiate ale fluxului42.Pe fig.11 și fig.12 prezintă proprietățile de transfer de căldură ale DW și ale nanofluidelor, de exemplu (coeficientul de transfer de căldură și numărul mediu Nusselt) ca medii folosind tuburi de inserție de bandă răsucită în comparație cu tuburile convenționale.Nanofluidele necovalente (GNP-SDBS@DW) și covalente (GNP-COOH@DW) au trei fracțiuni diferite în greutate, cum ar fi 0,025% în greutate, 0,05% în greutate și 0,1% în greutate.În ambele schimbătoare de căldură (unghiul elicei de 45° și 90°) performanța medie a transferului de căldură este >1, indicând o îmbunătățire a coeficientului de transfer de căldură și a numărului mediu de Nusselt cu tuburile spiralate comparativ cu tuburile convenționale.Nanofluidele non-covalente (GNPs-SDBS@DW) au prezentat o îmbunătățire medie a transferului de căldură mai mare decât nanofluidele covalente (GNPs-COOH@DW).La Re = 900, îmbunătățirea cu 0,1% în greutate a performanței transferului de căldură -SDBS@GNPs pentru cele două schimbătoare de căldură (unghiul elicei de 45° și 90°) a fost cea mai mare cu o valoare de 1,90.Aceasta înseamnă că efectul TP uniform este mai important la viteze mai mici ale fluidului (numărul Reynolds)43 și la creșterea intensității turbulenței.Datorită introducerii mai multor vârtejuri, coeficientul de transfer de căldură și numărul mediu Nusselt al tuburilor TT sunt mai mari decât tuburile convenționale, rezultând un strat limită mai subțire.Prezența HP crește intensitatea turbulențelor, amestecarea fluxurilor de fluid de lucru și transferul de căldură îmbunătățit în comparație cu țevile de bază (fără a introduce o bandă răsucită-răsucită)21.
Numărul mediu Nusselt (unghiul elicei 45° și 90°) față de numărul Reynolds pentru diferite nanofluide în comparație cu tuburile convenționale.
Figurile 13 și 14 arată coeficientul mediu de frecare (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain}}\)) și pierderea de presiune (\(\frac{{\Delta P} _ {Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\}} aproximativ 45° și 90° pentru țevi convenționale care utilizează nanofluide DW, schimbătorul de ioni (GNPs-SDBS@DW) și (GNPs-COOH@DW) conține ( 0,025 % în greutate, 0,05 % în greutate și 0,1 % în greutate). { {f}_{Plain} }\)) și pierderea de presiune (\(\frac{{ \Delta P}_{Twisted}}{{\Delta P }_{Plain}}\}) scad.cazurile, coeficientul de frecare si pierderea de presiune sunt mai mari la numere Reynolds mai mici Coeficientul mediu de frecare si pierderea de presiune sunt intre 3,78 si 3,12. unghiul și 90°) schimbătorul de căldură costă de trei ori mai mult decât țevile convenționale.În plus, atunci când fluidul de lucru curge cu o viteză mai mare, coeficientul de frecare scade.Problema apare deoarece pe măsură ce numărul Reynolds crește, grosimea stratului limită scade, ceea ce duce la o scădere a efectului vâscozității dinamice asupra zonei afectate, o scădere a gradienților de viteză și a tensiunilor de forfecare și, în consecință, la o scădere a coeficientului de frecare21.Efectul de blocare îmbunătățit datorită prezenței TT și a turbionării crescute are ca rezultat pierderi de presiune semnificativ mai mari pentru țevile TT eterogene decât pentru țevile de bază.În plus, atât pentru conducta de bază, cât și pentru conducta TT, se poate observa că scăderea de presiune crește odată cu viteza fluidului de lucru43.
Coeficientul de frecare (unghiul elicei de 45° și 90°) față de numărul Reynolds pentru diferite nanofluide în comparație cu tuburile convenționale.
Pierderea de presiune (unghiul elicei de 45° și 90°) în funcție de numărul Reynolds pentru diferite nanofluide în raport cu un tub convențional.
În rezumat, Figura 15 prezintă criteriile de evaluare a performanței (PEC) pentru schimbătoarele de căldură cu unghiuri de 45° și 90° în comparație cu tuburile simple (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}} \ )) în (0,025% în greutate, 0,05% în greutate și 0,1% în greutate) utilizând nanofluide DV, (VNP-SDBS@DV) și covalente (VNP-COOH@DV).Valoarea (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) > 1 în ambele cazuri (unghiul elicei de 45° și 90°) în schimbătorul de căldură.În plus, (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) atinge cea mai bună valoare la Re = 11.000.Schimbătorul de căldură la 90° prezintă o ușoară creștere a (\ (\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) în comparație cu un schimbător de căldură la 45°., La Re = 11.000 0,1%-GNPs@SDBS reprezintă valori mai mari (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\))), de exemplu 1,25 pentru colțul schimbătorului de căldură la 45° și 1,27 pentru schimbătorul de căldură de colț de 90°.Este mai mare decât unu la toate procentele de fracțiune de masă, ceea ce indică faptul că țevile cu inserții de bandă răsucite sunt superioare țevilor convenționale.În special, transferul de căldură îmbunătățit furnizat de inserțiile de bandă a dus la o creștere semnificativă a pierderilor prin frecare22.
Criterii de eficiență pentru numărul Reynolds al diferitelor nanofluide în raport cu tuburile convenționale (unghiul elicei de 45° și 90°).
Anexa A prezintă liniile de fluidizare pentru schimbătoarele de căldură de 45° și 90° la Re = 7000 folosind DW, 0,1% în greutate-GNP-SDBS@DW și 0,1% în greutate-GNP-COOH@DW.Fluxurile în plan transversal sunt caracteristica cea mai izbitoare a efectului inserțiilor de panglică răsucite asupra fluxului principal.Folosirea schimbătoarelor de căldură la 45° și 90° arată că viteza în regiunea aproape de perete este aproximativ aceeași.Între timp, Anexa B arată contururile de viteză pentru schimbătoarele de căldură de 45° și 90° la Re = 7000 folosind DW, 0,1% în greutate-GNP-SDBS@DW și 0,1% în greutate-GNP-COOH@DW.Buclele de viteză sunt în trei locații diferite (slice), de exemplu, Plain-1 (P1 = −30mm), Plain-4 (P4 = 60mm) și Plain-7 (P7 = 150mm).Viteza curgerii lângă peretele conductei este cea mai mică, iar viteza fluidului crește spre centrul conductei.În plus, la trecerea prin conducta de aer, zona cu viteze mici din apropierea peretelui crește.Acest lucru se datorează creșterii stratului limită hidrodinamic, care crește grosimea regiunii cu viteză redusă din apropierea peretelui.În plus, creșterea numărului Reynolds crește nivelul general de viteză în toate secțiunile transversale, reducând astfel grosimea regiunii cu viteză scăzută din canal39.
Nanofoile de grafen funcționalizate covalent și necovalent au fost evaluate în inserții de bandă răsucite cu unghiuri de helix de 45° și 90°.Schimbătorul de căldură se rezolvă numeric folosind modelul de turbulență SST k-omega la 7000 ≤ Re ≤ 17000. Proprietățile termofizice sunt calculate la Tin = 308 K. Încălzește simultan peretele tubului răsucit la o temperatură constantă de 330 K. COOH@DV) a fost diluat în trei cantităţi de masă, de exemplu (0,025% în greutate, 0,05% în greutate şi 0,1% în greutate).Studiul actual a luat în considerare șase factori principali: temperatura de ieșire, coeficientul de transfer de căldură, numărul mediu Nusselt, coeficientul de frecare, pierderea de presiune și criteriile de evaluare a performanței.Iată principalele constatări:
Temperatura medie la ieșire (\({{T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) este întotdeauna mai mică de 1, ceea ce înseamnă că neîmprăștiat Temperatura de ieșire a nanofluidelor de valență (ZNP-SDBS@DV) și covalente (ZNP-COOH@DV) este mai mică decât cea a lichidului de bază.Între timp, valoarea medie a temperaturii de ieșire (\({{T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\)) > 1, indicând faptul că (unghiul elicei de 45° și 90°) temperatura de ieșire este mai mare decât la tuburile convenționale.
În ambele cazuri, valorile medii ale proprietăților de transfer de căldură (nanofluid/fluid de bază) și (tub răsucit/tub normal) arată întotdeauna >1.Nanofluidele necovalente (GNPs-SDBS@DW) au prezentat o creștere medie mai mare a transferului de căldură, corespunzătoare nanofluidelor covalente (GNPs-COOH@DW).
Coeficientul mediu de frecare (\({f}_{Nanofluids}/{f}_{Basefluid}\)) al nanofluidelor necovalente (VNP-SDBS@DW) și covalente (VNP-COOH@DW) este întotdeauna ≈1 .frecarea nanofluidelor necovalente (ZNP-SDBS@DV) și covalente (ZNP-COOH@DV) (\({f}_{Twisted}/{f}_{Plain}\)) pentru întotdeauna > 3.
În ambele cazuri (unghiul de helix de 45° și 90°), nanofluidele (GNPs-SDBS@DW) au fost mai mari (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) 0,025 % în greutate pentru 2,04%, 0,05% în greutate pentru 2,46% și 0,1% în greutate pentru 3,44%.Între timp, nanofluidele (GNPs-COOH@DW) au fost mai mici (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\))) de la 1,31% pentru 0,025% în greutate la 1,65% este 0,05 % după greutate.În plus, pierderea medie de presiune (\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\) a celor necovalente (GNPs-SDBS@DW) și covalente (GNPs-COOH@DW). ))) nanofluide întotdeauna >3.
În ambele cazuri (unghiuri de helix de 45° și 90°), nanofluidele (GNPs-SDBS@DW) au prezentat o valoare mai mare (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC} _{Basefluid}\)) @DW) , de exemplu 0,025% în greutate - 1,17, 0,05% în greutate - 1,19, 0,1% în greutate - 1,26.În acest caz, valorile (\({PEC}_{Nanofluide}/{PEC}_{Basefluid}\)) folosind nanofluide (GNPs-COOH@DW) sunt 1,02 pentru 0,025% în greutate, 1,05 pentru 0 , 05 gr.% şi 1,02 este 0,1% în greutate.În plus, la Re = 11.000, 0,1% în greutate-GNPs@SDBS a arătat valori mai mari (\({PEC}_{Twisted}/{PEC}_{Plain}\)), cum ar fi 1,25 pentru unghiul de helix de 45° și unghiul elicei de 90° 1,27.
Thianpong, C. şi colab.Optimizarea multifuncțională a fluxului de dioxid de titan nanofluid/apă în schimbătorul de căldură, îmbunătățită de inserții de bandă răsucite cu aripi delta.intern J. Hot.știința.172, 107318 (2022).
Langerudi, HG și Jawaerde, C. Studiu experimental al fluxului de fluid non-newtonian în burduf introdus cu benzi răsucite tipice și în formă de V.Transfer de căldură și masă 55, 937–951 (2019).
Dong, X. şi colab.Studiu experimental al caracteristicilor transferului de căldură și al rezistenței la curgere a unui schimbător de căldură tubular răsucit în spirală [J].Temperatura de aplicare.proiect.176, 115397 (2020).
Yongsiri, K., Eiamsa-Ard, P., Wongcharee, K. & Eiamsa-Ard, SJCS Transfer de căldură îmbunătățit în fluxul turbulent al canalului cu aripioare de separare oblice.cercetare de actualitate.temperatura.proiect.3, 1–10 (2014).