Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com.Używasz wersji przeglądarki z ograniczoną obsługą CSS.Aby uzyskać najlepszą jakość, zalecamy użycie zaktualizowanej przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w przeglądarce Internet Explorer).Dodatkowo, aby zapewnić bieżące wsparcie, pokazujemy witrynę bez stylów i JavaScript.
Suwaki pokazujące trzy artykuły na slajd.Użyj przycisków Wstecz i Dalej, aby poruszać się po slajdach, lub przycisków kontrolera slajdów na końcu, aby poruszać się po poszczególnych slajdach.
304 10*1mm Zwijane rurki ze stali nierdzewnej w Chinach
Rozmiar: 3/4 cala, 1/2 cala, 1 cal, 3 cale, 2 cale
Długość rury jednostkowej: 6 metrów
Gatunek stali: 201, 304 I 316
Gatunek: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,
Materiał: Stal nierdzewna
Stan: nowy
Cewka rurowa ze stali nierdzewnej
Rozmiar: 3/4 cala, 1/2 cala, 1 cal, 3 cale, 2 cale
Długość rury jednostkowej: 6 metrów
Gatunek stali: 201, 304 I 316
Gatunek: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,
Materiał: Stal nierdzewna
Stan: nowy
Kowalencyjne i niekowalencyjne nanociecze badano w okrągłych rurkach wyposażonych we wkładki ze skręconej taśmy o kątach pochylenia linii śrubowej 45° i 90°.Liczba Reynoldsa wynosiła 7000 ≤ Re ≤ 17000, właściwości termofizyczne oceniano w temperaturze 308 K. Model fizyczny rozwiązano numerycznie za pomocą dwuparametrowego modelu lepkości turbulentnej (turbulencja k-omega SST).W pracy uwzględniono stężenia (0,025% wag., 0,05% wag. i 0,1% wag.) nanopłynów ZNP-SDBS@DV i ZNP-COOH@DV.Ściany skręconych rur nagrzewa się w stałej temperaturze 330 K. W bieżącym badaniu wzięto pod uwagę sześć parametrów: temperaturę na wylocie, współczynnik przenikania ciepła, średnią liczbę Nusselta, współczynnik tarcia, stratę ciśnienia i kryteria oceny wydajności.W obu przypadkach (kąt linii śrubowej 45° i 90°) nanociecz ZNP-SDBS@DV wykazywała wyższe właściwości termohydrauliczne niż ZNP-COOH@DV i zwiększała się wraz ze wzrostem udziału masowego, np. do 0,025% wag.i 0,05% wag.wynosi 1,19.% i 1,26 – 0,1% wag.W obu przypadkach (kąt linii śrubowej 45° i 90°) wartości charakterystyk termodynamicznych przy zastosowaniu GNP-COOH@DW wynoszą 1,02 dla 0,025% wag., 1,05 dla 0,05% wag.i 1,02 dla 0,1% wag.
Wymiennik ciepła jest urządzeniem termodynamicznym 1 używanym do przenoszenia ciepła podczas operacji chłodzenia i ogrzewania.Właściwości termohydrauliczne wymiennika ciepła poprawiają współczynnik przenikania ciepła i zmniejszają opór cieczy roboczej.Opracowano kilka metod poprawy wymiany ciepła, w tym środki wzmacniające turbulencje2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 i nanociecze12,13,14,15.Wkładanie skręconej taśmy jest jedną z najskuteczniejszych metod poprawy wymiany ciepła w wymiennikach ciepła ze względu na łatwość konserwacji i niski koszt7,16.
W szeregu badań eksperymentalnych i obliczeniowych badano właściwości hydrotermalne mieszanin nanocieczy i wymienników ciepła z wkładkami z taśmy skręconej.W pracy eksperymentalnej zbadano właściwości hydrotermalne trzech różnych nanocieczy metalicznych (Ag@DW, Fe@DW i Cu@DW) w wymienniku ciepła z taśmą skręconą igłą (STT)17.W porównaniu z rurą bazową współczynnik przenikania ciepła STT jest lepszy o 11% i 67%.Układ SST jest najlepszy z ekonomicznego punktu widzenia pod względem wydajności przy parametrze α = β = 0,33.Ponadto zaobserwowano 18,2% wzrost n w przypadku Ag@DW, chociaż maksymalny wzrost straty ciśnienia wyniósł tylko 8,5%.Badano fizyczne procesy wymiany ciepła i straty ciśnienia w rurach koncentrycznych z turbulatorami zwojowymi i bez nich, wykorzystując turbulentne przepływy nanocieczy Al2O3@DW z wymuszoną konwekcją.Maksymalną średnią liczbę Nusselta (Nuavg) i stratę ciśnienia obserwuje się przy Re = 20 000, gdy skok cewki = 25 mm i nanociecz Al2O3@DW 1,6% obj.Przeprowadzono także badania laboratoryjne w celu zbadania charakterystyki przenoszenia ciepła i strat ciśnienia nanopłynów tlenku grafenu (GO@DW) przepływających przez prawie okrągłe rurki z wkładkami WC.Wyniki wykazały, że 0,12% obj.-GO@DW zwiększa współczynnik konwekcyjnego przenikania ciepła o około 77%.W innym badaniu eksperymentalnym opracowano nanopłyny (TiO2@DW) w celu zbadania właściwości termohydraulicznych rur z wgłębieniami wyposażonych we wstawki ze skręconej taśmy20.Maksymalną sprawność hydrotermalną wynoszącą 1,258 uzyskano stosując 0,15% obj.-TiO2@DW osadzony w wałach nachylonych pod kątem 45° ze współczynnikiem skrętu 3,0.Jednofazowe i dwufazowe (hybrydowe) modele symulacyjne uwzględniają przepływ i wymianę ciepła nanocieczy CuO@DW przy różnych stężeniach części stałych (1–4% obj.)21.Maksymalna sprawność cieplna rury wprowadzonej za pomocą jednej skręconej taśmy wynosi 2,18, a rury wprowadzonej za pomocą dwóch skręconych taśm w tych samych warunkach wynosi 2,04 (model dwufazowy, Re = 36 000 i 4% obj.).Badano nienewtonowski turbulentny przepływ nanocieczy karboksymetylocelulozy (CMC) i tlenku miedzi (CuO) w rurach głównych i rurach ze skręconymi wkładkami.Nuavg wykazuje poprawę o 16,1% (dla głównego rurociągu) i 60% (dla rurociągu zwiniętego o stosunku (H/D = 5)).Ogólnie rzecz biorąc, niższy stosunek skrętu do wstęgi skutkuje wyższym współczynnikiem tarcia.W badaniach eksperymentalnych badano wpływ rur ze skręconą taśmą (TT) i cewkami (VC) na właściwości przenikania ciepła i współczynnik tarcia przy użyciu nanocieczy CuO@DW.Używając 0,3 obj.%-CuO@DW przy Re = 20 000 umożliwia zwiększenie przenikania ciepła w rurze VK-2 do maksymalnej wartości 44,45%.Dodatkowo, w przypadku stosowania skrętki dwużyłowej i wkładki cewkowej w tych samych warunkach brzegowych, współczynnik tarcia wzrasta o współczynniki 1,17 i 1,19 w porównaniu do DW.Ogólnie rzecz biorąc, sprawność cieplna nanocieczy wprowadzonych do cewek jest lepsza niż nanocieczy wprowadzonych do przewodów skręconych.Badano charakterystykę objętościową turbulentnego (MWCNT@DW) przepływu nanocieczy wewnątrz poziomej rurki umieszczonej w spiralnym drucie.Parametry wydajności cieplnej wynosiły > 1 we wszystkich przypadkach, co wskazuje, że połączenie nanocieczy z wkładką cewki poprawia przenoszenie ciepła bez zużywania mocy pompy.Streszczenie. Badano właściwości hydrotermalne dwururowego wymiennika ciepła z różnymi wkładami wykonanymi ze zmodyfikowanej taśmy typu skręcano-skręconej w kształcie litery V (VcTT) w warunkach turbulentnego przepływu nanocieczy Al2O3 + TiO2@DW.W porównaniu do DW w rurach podstawowych, Nuavg charakteryzuje się znaczną poprawą o 132% i współczynnikiem tarcia aż do 55%.Dodatkowo omówiono efektywność energetyczną nanokompozytu Al2O3+TiO2@DW w dwururowym wymienniku ciepła26.W swoim badaniu odkryli, że zastosowanie Al2O3 + TiO2@DW i TT poprawiło efektywność egzergii w porównaniu z DW.W koncentrycznych rurowych wymiennikach ciepła z turbulatorami VcTT Singh i Sarkar27 zastosowali materiały o przemianie fazowej (PCM), rozproszone nanopłyny jedno/nanokompozytowe (Al2O3@DW z PCM i Al2O3 + PCM).Poinformowali, że przenikanie ciepła i utrata ciśnienia wzrastają wraz ze spadkiem współczynnika skrętu i wzrostem stężenia nanocząstek.Większy współczynnik głębokości wycięcia w kształcie litery V lub mniejszy współczynnik szerokości może zapewnić większy transfer ciepła i utratę ciśnienia.Ponadto grafen-platyna (Gr-Pt) została wykorzystana do zbadania ciepła, tarcia i ogólnej szybkości wytwarzania entropii w rurach z wkładkami 2-TT28.Ich badanie wykazało, że mniejszy procent (Gr-Pt) znacząco zmniejsza wytwarzanie entropii ciepła w porównaniu ze stosunkowo większym rozwojem entropii tarcia.Mieszane nanociecze Al2O3@MgO i stożkowy WC można uznać za dobrą mieszaninę, ponieważ zwiększony stosunek (h/Δp) może poprawić parametry hydrotermalne dwururowego wymiennika ciepła 29.Model numeryczny służy do oceny oszczędności energii i ekologiczności wymienników ciepła z różnymi trzyczęściowymi nanopłynami hybrydowymi (THNF) (Al2O3 + grafen + MWCNT) zawieszonymi w DW30.Ze względu na kryteria oceny wydajności (PEC) w zakresie 1,42–2,35, wymagana jest kombinacja obniżonej skręconej wkładki turbulizatora (DTTI) i (Al2O3 + grafen + MWCNT).
Do tej pory niewiele uwagi poświęcano roli kowalencyjnej i niekowalencyjnej funkcjonalizacji w przepływie hydrodynamicznym w płynach termicznych.Celem szczegółowym badań było porównanie właściwości termohydraulicznych nanocieczy (ZNP-SDBS@DV) i (ZNP-COOH@DV) we wkładkach z taśmy skręconej o kątach pochylenia linii śrubowej 45° i 90°.Właściwości termofizyczne mierzono przy Tin = 308 K. W tym przypadku w procesie porównawczym wzięto pod uwagę trzy ułamki masowe, takie jak (0,025% mas., 0,05% mas. i 0,1% mas.).Przeniesienie naprężenia ścinającego w trójwymiarowym modelu przepływu turbulentnego (SST k-ω) wykorzystywane jest do rozwiązywania charakterystyk termohydraulicznych.Tym samym niniejsza praca wnosi znaczący wkład w badanie właściwości dodatnich (przenikanie ciepła) i właściwości ujemnych (spadek ciśnienia na tarciu), wykazując charakterystykę termohydrauliczną i optymalizację rzeczywistych płynów roboczych w takich układach inżynierskich.
Podstawowa konfiguracja to rura gładka (L = 900 mm i Dh = 20 mm).Wymiary włożonej skrętki (długość = 20 mm, grubość = 0,5 mm, profil = 30 mm).W tym przypadku długość, szerokość i skok profilu spiralnego wynosiły odpowiednio 20 mm, 0,5 mm i 30 mm.Taśmy skręcone są nachylone pod kątem 45° i 90°.Różne płyny robocze, takie jak DW, niekowalencyjne nanociecze (GNF-SDBS@DW) i kowalencyjne nanociecze (GNF-COOH@DW) przy Tin = 308 K, trzy różne stężenia masowe i różne liczby Reynoldsa.Badania przeprowadzono wewnątrz wymiennika ciepła.Zewnętrzną ściankę rury spiralnej ogrzewano przy stałej temperaturze powierzchni 330 K w celu sprawdzenia parametrów poprawiających wymianę ciepła.
Na ryc.1 schematycznie przedstawia rurkę wprowadzającą skręconą taśmę z obowiązującymi warunkami brzegowymi i obszarem oczek.Jak wspomniano wcześniej, warunki brzegowe prędkości i ciśnienia odnoszą się do części wlotowej i wylotowej spirali.Przy stałej temperaturze powierzchni na ściance rury wywierany jest efekt antypoślizgowy.Obecna symulacja numeryczna wykorzystuje rozwiązanie oparte na ciśnieniu.Jednocześnie wykorzystywany jest program (ANSYS FLUENT 2020R1) do konwersji równania różniczkowego cząstkowego (PDE) na układ równań algebraicznych metodą objętości skończonych (FMM).Metoda SIMPLE drugiego rzędu (metoda półukryta dla kolejnych równań zależnych od ciśnienia) jest związana z prędkością-ciśnieniem.Należy podkreślić, że zbieżność reszt dla równań masy, pędu i energii jest mniejsza niż odpowiednio 103 i 106.
p Schemat dziedzin fizycznych i obliczeniowych: (a) kąt linii śrubowej 90°, (b) kąt linii śrubowej 45°, (c) brak ostrza spiralnego.
Do wyjaśnienia właściwości nanocieczy wykorzystano model jednorodny.Dzięki włączeniu nanomateriałów do płynu bazowego (DW) powstaje ciągły płyn o doskonałych właściwościach termicznych.Pod tym względem temperatura i prędkość płynu bazowego i nanomateriału mają tę samą wartość.Ze względu na powyższe teorie i założenia, w niniejszym badaniu sprawdza się efektywny przepływ jednofazowy.Kilka badań wykazało skuteczność i możliwość zastosowania technik jednofazowych w przepływie nanocieczy31,32.
Przepływ nanocieczy musi być newtonowski turbulentny, nieściśliwy i stacjonarny.Praca ściskająca i nagrzewanie lepkie nie mają w tym badaniu znaczenia.Ponadto nie bierze się pod uwagę grubości wewnętrznej i zewnętrznej ściany rury.Dlatego równania zachowania masy, pędu i energii definiujące model termiczny można wyrazić w następujący sposób:
gdzie \(\overrightarrow{V}\) to wektor średniej prędkości, Keff = K + Kt to efektywna przewodność cieplna kowalencyjnych i niekowalencyjnych nanocieczy, a ε to szybkość rozpraszania energii.Przedstawione w tabeli efektywne właściwości termofizyczne nanocieczy, takie jak gęstość (ρ), lepkość (μ), ciepło właściwe (Cp) i przewodność cieplna (k), zostały zmierzone podczas badań eksperymentalnych w temperaturze 308 K1 przy zastosowaniu w tych symulatorach.
Symulacje numeryczne turbulentnego przepływu nanocieczy w rurkach konwencjonalnych i TT przeprowadzono przy liczbach Reynoldsa 7000 ≤ Re ≤ 17000. Symulacje te i współczynniki konwekcyjnego przenikania ciepła analizowano przy użyciu modelu turbulencji κ-ω Mentora w przenoszeniu naprężenia ścinającego (SST) uśrednionego dla turbulencji Reynoldsa model Naviera-Stokesa, powszechnie stosowany w badaniach aerodynamicznych.Ponadto model działa bez funkcji ściany i jest dokładny w pobliżu ścian 35,36.(SST) κ-ω rządzące równaniami modelu turbulencji są następujące:
gdzie \(S\) jest wartością szybkości odkształcania, a \(y\) jest odległością do sąsiedniej powierzchni.Tymczasem \({\alpha}_{1}\), \({\alpha}_{2}\), \({\beta}_{1}\), \({\beta}_{ 2 }\), \({\beta}^{*}\), \({\sigma}_{{k}_{1}}\), \({\sigma}_{{k}_{ 2 }}\), \({\sigma}_{{\omega}_{1}}\) i \({\sigma}_{{\omega}_{2}}\) oznaczają wszystkie stałe modelu.F1 i F2 to funkcje mieszane.Uwaga: F1 = 1 w warstwie granicznej, 0 w nadchodzącym przepływie.
Parametry oceny wydajności wykorzystuje się do badania turbulentnego konwekcyjnego przenoszenia ciepła oraz kowalencyjnego i niekowalencyjnego przepływu nanocieczy, na przykład31:
W tym kontekście (\(\rho\)), (\(v\)), (\({D}_{h}\)) i (\(\mu\)) są używane do określenia gęstości i prędkości płynu , średnica hydrauliczna i lepkość dynamiczna.(\({C}_{p}\, \mathrm{u}\, k\)) – ciepło właściwe i przewodność cieplna przepływającego płynu.Również (\(\dot{m}\)) odnosi się do przepływu masowego, a (\({T}_{out}-{T}_{in}\)) odnosi się do różnicy temperatur na wlocie i wylocie.(NF) odnosi się do kowalencyjnych i niekowalencyjnych nanocieczy, a (DW) odnosi się do wody destylowanej (płynu bazowego).\({A}_{s} = \pi DL\), \({\overline{T}}_{f}=\frac{\left({T}_{out}-{T}_{in }\right)}{2}\) i \({\overline{T}}_{w}=\sum \frac{{T}_{w}}{n}\).
Właściwości termofizyczne płynu bazowego (DW), nanocieczy niekowalencyjnego (GNF-SDBS@DW) i nanocieczy kowalencyjnej (GNF-COOH@DW) zaczerpnięto z opublikowanej literatury (badania eksperymentalne), Sn = 308 K, jako pokazano w Tabeli 134. W typowym eksperymencie mającym na celu otrzymanie niekowalencyjnego (GNP-SDBS@DW) nanopłynu o znanych procentach masowych, początkowo odważono pewne gramy pierwotnego PNB na wadze cyfrowej.Stosunek wagowy SDBS do rodzimego PNB jest ważony (0,5:1) w DW.W tym przypadku kowalencyjne (COOH-GNP@DW) nanociecze zsyntetyzowano poprzez dodanie grup karboksylowych do powierzchni PNB przy użyciu silnie kwaśnego ośrodka o stosunku objętościowym (1:3) HNO3 i H2SO4.Kowalencyjne i niekowalencyjne nanopłyny zawieszono w DW w trzech różnych procentach wagowych, takich jak 0,025% wag., 0,05% wag.i 0,1% masy.
Aby upewnić się, że rozmiar siatki nie wpływa na symulację, przeprowadzono testy niezależności siatki w czterech różnych obszarach obliczeniowych.W przypadku rury skrętnej 45° liczba jednostek o wielkości jednostki 1,75 mm wynosi 249 033, liczba jednostek o wielkości jednostki 2 mm wynosi 307 969, liczba jednostek o wielkości jednostki 2,25 mm wynosi 421 406, a liczba jednostek o wielkości jednostkowej 2,5 mm odpowiednio 564 940.Dodatkowo w przykładzie rury skręconej pod kątem 90° liczba elementów o wymiarze elementu 1,75 mm wynosi 245 531, liczba elementów o rozmiarze elementu 2 mm wynosi 311 584, liczba elementów o rozmiarze elementu 2,25 mm 422 708, a liczba elementów o średnicy elementu 2,5 mm wynosi odpowiednio 573 826.Dokładność odczytów właściwości termicznych, takich jak (Tout, HTC i Nuavg), wzrasta wraz ze spadkiem liczby elementów.Jednocześnie dokładność wartości współczynnika tarcia i spadku ciśnienia wykazała zupełnie inne zachowanie (rys. 2).Siatka (2) została wykorzystana jako główny obszar siatki do oceny charakterystyk termohydraulicznych w symulowanym przypadku.
Testowanie wydajności wymiany ciepła i spadku ciśnienia niezależnie od siatki przy użyciu par rur DW skręconych pod kątem 45° i 90°.
Niniejsze wyniki numeryczne zostały potwierdzone pod kątem wydajności wymiany ciepła i współczynnika tarcia przy użyciu dobrze znanych korelacji empirycznych i równań, takich jak Dittus-Belter, Petukhov, Gnelinsky, Notter-Rouse i Blasius.Porównanie przeprowadzono przy warunku 7000≤Re≤17000.Według rys.3, średnie i maksymalne błędy pomiędzy wynikami symulacji a równaniem przenikania ciepła wynoszą 4,050 i 5,490% (Dittus-Belter), 9,736 i 11,33% (Petukhov), 4,007 i 7,483% (Gnelinsky) oraz 3,883% i 4,937% ( Nott-Beltera).Róża).W tym przypadku błędy średnie i maksymalne pomiędzy wynikami symulacji a równaniem współczynnika tarcia wynoszą odpowiednio 7,346% i 8,039% (Blasius) oraz 8,117% i 9,002% (Petukhov).
Przenikanie ciepła i właściwości hydrodynamiczne DW przy różnych liczbach Reynoldsa z wykorzystaniem obliczeń numerycznych i korelacji empirycznych.
W tej części omówiono właściwości termiczne niekowalencyjnych (LNP-SDBS) i kowalencyjnych (LNP-COOH) wodnych nanocieczy przy trzech różnych ułamkach masowych i liczbach Reynoldsa jako średnich w stosunku do płynu bazowego (DW).Omówiono dwie geometrie wymienników ciepła z taśmą spiralną (kąt linii śrubowej 45° i 90°) dla 7000 ≤ Re ≤ 17000. Na rys.4 przedstawia średnią temperaturę na wyjściu nanocieczy do płynu bazowego (DW) (\(\frac{{T}_{out}}_{NFs}}{{T}_{out}}_{ DW } } \) ) przy (0,025% wag., 0,05% wag. i 0,1% wag.).(\(\frac{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) jest zawsze mniejsze niż 1, co oznacza, że temperatura na wylocie niekowalencyjne (VNP-SDBS) i kowalencyjne (VNP-COOH) nanopłyny znajdują się poniżej temperatury na wylocie cieczy bazowej.Najniższe i najwyższe obniżki wyniosły odpowiednio 0,1% wag.-COOH@GNP i 0,1% wag.-SDBS@GNP.Zjawisko to wynika ze wzrostu liczby Reynoldsa przy stałym ułamku masowym, co prowadzi do zmiany właściwości nanocieczy (tj. gęstości i lepkości dynamicznej).
Figury 5 i 6 przedstawiają średnią charakterystykę przenoszenia ciepła nanopłynu do płynu bazowego (DW) przy (0,025% wag., 0,05% wag. i 0,1% wag.).Średnie właściwości wymiany ciepła są zawsze większe niż 1, co oznacza, że właściwości wymiany ciepła nanocieczy niekowalencyjnych (LNP-SDBS) i kowalencyjnych (LNP-COOH) są lepsze w porównaniu z płynem bazowym.0,1% wag.-COOH@GNP i 0,1% wag.-SDBS@GNP osiągnęły odpowiednio najniższy i najwyższy zysk.Gdy liczba Reynoldsa wzrasta z powodu większego mieszania płynu i turbulencji w rurze 1, poprawia się wydajność wymiany ciepła.Płyny przepływające przez małe szczeliny osiągają większe prędkości, co skutkuje cieńszą warstwą graniczną prędkość/ciepło, co zwiększa szybkość wymiany ciepła.Dodanie większej liczby nanocząstek do płynu bazowego może mieć zarówno pozytywne, jak i negatywne skutki.Korzystne skutki obejmują zwiększone zderzenia nanocząstek, korzystne wymagania dotyczące przewodności cieplnej płynów i zwiększone przenoszenie ciepła.
Współczynnik przenikania ciepła nanocieczy do płynu bazowego w zależności od liczby Reynoldsa dla rur 45° i 90°.
Jednocześnie negatywnym skutkiem jest wzrost lepkości dynamicznej nanocieczy, co zmniejsza ruchliwość nanocieczy, a tym samym zmniejszenie średniej liczby Nusselta (Nuavg).Zwiększona przewodność cieplna nanocieczy (ZNP-SDBS@DW) i (ZNP-COOH@DW) powinna wynikać z ruchów Browna i mikrokonwekcji nanocząstek grafenu zawieszonych w DW37.Przewodność cieplna nanocieczy (ZNP-COOH@DV) jest wyższa niż nanocieczy (ZNP-SDBS@DV) i wody destylowanej.Dodanie większej ilości nanomateriałów do płynu bazowego zwiększa ich przewodność cieplną (tab. 1)38.
Rysunek 7 ilustruje średni współczynnik tarcia nanocieczy z płynem bazowym (DW) (f(NFs)/f(DW)) w procentach masowych (0,025%, 0,05% i 0,1%).Średni współczynnik tarcia zawsze wynosi ≈1, co oznacza, że nanociecze niekowalencyjne (GNF-SDBS@DW) i kowalencyjne (GNF-COOH@DW) mają taki sam współczynnik tarcia jak płyn bazowy.Wymiennik ciepła zajmujący mniej miejsca powoduje większe utrudnienia w przepływie i zwiększa tarcie przepływu1.Zasadniczo współczynnik tarcia nieznacznie wzrasta wraz ze wzrostem udziału masowego nanocieczy.Większe straty tarcia spowodowane są zwiększoną lepkością dynamiczną nanocieczy i zwiększonym naprężeniem ścinającym na powierzchni przy większym udziale masowym nanografenu w płynie bazowym.Tabela (1) pokazuje, że lepkość dynamiczna nanocieczy (ZNP-SDBS@DV) jest wyższa niż lepkość nanocieczy (ZNP-COOH@DV) przy tym samym procencie wagowym, co jest związane z dodatkiem efektów powierzchniowych.substancji aktywnych na niekowalencyjnym nanocieczy.
Na ryc.8 przedstawia nanociecz w porównaniu z płynem bazowym (DW) (\(\frac{{\Delta P}_{NFs}}{{\Delta P}_{DW}}\)) przy (0,025%, 0,05% i 0,1% ).Nanopłyn niekowalencyjny (GNPs-SDBS@DW) wykazywał wyższą średnią stratę ciśnienia i wzrost procentu masowego do 2,04% dla 0,025% wag., 2,46% dla 0,05% wag.i 3,44% dla 0,1% wag.z powiększeniem obudowy (kąt pochylenia linii śrubowej 45° i 90°).Tymczasem nanopłyn (GNPs-COOH@DW) wykazywał niższą średnią stratę ciśnienia, zwiększając się z 1,31% przy 0,025% wag.do 1,65% przy 0,05% wag.Średnia strata ciśnienia wynosząca 0,05% wag.-COOH@NP i 0,1% wag.-COOH@NP wynosi 1,65%.Jak widać, spadek ciśnienia wzrasta wraz ze wzrostem liczby Re we wszystkich przypadkach.Na zwiększony spadek ciśnienia przy wysokich wartościach Re wskazuje bezpośrednia zależność od przepływu objętościowego.Dlatego wyższa liczba Re w rurze prowadzi do większego spadku ciśnienia, co wymaga zwiększenia mocy pompy39,40.Dodatkowo straty ciśnienia są większe ze względu na większe natężenie wirów i turbulencji generowanych przez większą powierzchnię, co zwiększa oddziaływanie ciśnienia i sił bezwładności w warstwie przyściennej1.
Ogólnie kryteria oceny wydajności (PEC) dla nanocieczy niekowalencyjnych (VNP-SDBS@DW) i kowalencyjnych (VNP-COOH@DW) pokazano na ryc.9. Nanociecz (ZNP-SDBS@DV) wykazała w obu przypadkach wyższe wartości PEC niż (ZNP-COOH@DV) (kąt linii śrubowej 45° i 90°) i poprawiono to poprzez zwiększenie udziału masowego, np. 0,025 % wag.wynosi 1,17, 0,05% wag. wynosi 1,19, a 0,1% wag. wynosi 1,26.Tymczasem wartości PEC przy użyciu nanocieczy (GNP-COOH@DW) wyniosły 1,02 dla 0,025% wag., 1,05 dla 0,05% wag., 1,05 dla 0,1% wag.w obu przypadkach (kąt linii śrubowej 45° i 90°).1.02.Z reguły wraz ze wzrostem liczby Reynoldsa sprawność termohydrauliczna znacznie maleje.Wraz ze wzrostem liczby Reynoldsa spadek współczynnika sprawności termohydraulicznej jest systematycznie powiązany ze wzrostem (NuNFs/NuDW) i spadkiem (fNFs/fDW).
Właściwości hydrotermiczne nanocieczy w odniesieniu do płynów bazowych w zależności od liczb Reynoldsa dla rurek o kątach 45° i 90°.
W tej części omówiono właściwości termiczne nanocieczy wodnych (DW), niekowalencyjnych (VNP-SDBS@DW) i kowalencyjnych (VNP-COOH@DW) nanocieczy przy trzech różnych stężeniach masowych i liczbach Reynoldsa.W celu oceny średniej wydajności termohydraulicznej uwzględniono dwie geometrie wymiennika ciepła z taśmą zwojową w zakresie 7000 ≤ Re ≤ 17000 w odniesieniu do rur konwencjonalnych (kąty linii śrubowej 45° i 90°).Na ryc.10 pokazuje temperaturę wody i nanocieczy na wylocie jako średnią, stosując (kąt linii śrubowej 45° i 90°) dla wspólnej rury (\(\frac{{{T}_{out}}_{Skręcone}}{{ {T} _{wyjście}}_{Zwykłe}}\)).Nanopłyny niekowalencyjne (GNP-SDBS@DW) i kowalencyjne (GNP-COOH@DW) mają trzy różne frakcje wagowe, takie jak 0,025% wag., 0,05% wag. i 0,1% wag.Jak pokazano na ryc.11, średnia wartość temperatury wylotowej (\(\frac{{T}_{out}}_{Twisted}}{{{T}_{out}}_{Plain}}\)) > 1, co wskazuje, że (kąt pochylenia linii śrubowej 45° i 90°) temperatura na wylocie wymiennika ciepła jest bardziej znacząca niż w przypadku konwencjonalnej rury, ze względu na większą intensywność turbulencji i lepsze wymieszanie cieczy.Ponadto temperatura na wylocie DW, niekowalencyjnych i kowalencyjnych nanocieczy spadała wraz ze wzrostem liczby Reynoldsa.Płyn bazowy (DW) ma najwyższą średnią temperaturę na wylocie.Tymczasem najniższa wartość odnosi się do 0,1% wag.-SDBS @ GNP.Nanociecze niekowalencyjne (GNPs-SDBS@DW) wykazały niższą średnią temperaturę na wylocie w porównaniu z nanopłynami kowalencyjnymi (GNPs-COOH@DW).Ponieważ skręcona taśma powoduje, że pole przepływu jest bardziej mieszane, strumień ciepła w pobliżu ścian może łatwiej przechodzić przez ciecz, zwiększając ogólną temperaturę.Niższy stosunek skrętu do taśmy zapewnia lepszą penetrację, a tym samym lepsze przenoszenie ciepła.Z drugiej strony widać, że zwinięta taśma utrzymuje niższą temperaturę w stosunku do ściany, co z kolei zwiększa Nuavg.W przypadku wkładek z taśmy skręconej wyższa wartość Nuavg wskazuje na lepsze konwekcyjne przenoszenie ciepła w rurze22.Ze względu na zwiększoną drogę przepływu oraz dodatkowe mieszanie i turbulencje wydłuża się czas przebywania, co skutkuje wzrostem temperatury cieczy na wylocie41.
Liczby Reynoldsa różnych nanocieczy w zależności od temperatury wylotowej konwencjonalnych rurek (kąty spirali 45° i 90°).
Współczynniki przenikania ciepła (kąt pochylenia linii śrubowej 45° i 90°) w funkcji liczb Reynoldsa dla różnych nanocieczy w porównaniu z konwencjonalnymi rurkami.
Główny mechanizm zwiększonego przenoszenia ciepła w zwiniętej taśmie jest następujący: 1. Zmniejszenie średnicy hydraulicznej rury wymiany ciepła prowadzi do wzrostu prędkości przepływu i krzywizny, co z kolei zwiększa naprężenia ścinające na ściance i sprzyja ruchom wtórnym.2. Z powodu zablokowania taśmy nawojowej prędkość na ściance rury wzrasta, a grubość warstwy granicznej maleje.3. Przepływ spiralny za skręconym pasem prowadzi do wzrostu prędkości.4. Indukowane wiry poprawiają mieszanie płynu pomiędzy obszarami centralnymi i przyściennymi przepływu42.Na ryc.11 i rys.12 przedstawia na przykład właściwości przenoszenia ciepła DW i nanopłynów (współczynnik przenikania ciepła i średnia liczba Nusselta) jako średnie przy użyciu rurek wprowadzających ze skręconej taśmy w porównaniu z rurkami konwencjonalnymi.Nanopłyny niekowalencyjne (GNP-SDBS@DW) i kowalencyjne (GNP-COOH@DW) mają trzy różne frakcje wagowe, takie jak 0,025% wag., 0,05% wag. i 0,1% wag.W obu wymiennikach ciepła (kąt pochylenia linii śrubowej 45° i 90°) średnia wydajność wymiany ciepła wynosi >1, co wskazuje na poprawę współczynnika przenikania ciepła i średniej liczby Nusselta w przypadku rur zwojowych w porównaniu z rurami konwencjonalnymi.Nanopłyny niekowalencyjne (GNPs-SDBS@DW) wykazały wyższą średnią poprawę wymiany ciepła niż nanopłyny kowalencyjne (GNPs-COOH@DW).Przy Re = 900, poprawa wydajności wymiany ciepła o 0,1% wag. -SDBS@GNPs dla dwóch wymienników ciepła (kąt pochylenia linii śrubowej 45° i 90°) była najwyższa i wyniosła 1,90.Oznacza to, że równomierny efekt TP jest ważniejszy przy niższych prędkościach płynu (liczba Reynoldsa)43 i rosnącej intensywności turbulencji.Ze względu na wprowadzenie wielu wirów współczynnik przenikania ciepła i średnia liczba Nusselta rur TT są wyższe niż w przypadku rur konwencjonalnych, co skutkuje cieńszą warstwą graniczną.Czy obecność HP zwiększa intensywność turbulencji, mieszanie się strumieni płynu roboczego i lepsze przekazywanie ciepła w porównaniu do rur bazowych (bez stosowania taśmy skręcono-skręconej)21.
Średnia liczba Nusselta (kąt linii śrubowej 45° i 90°) w porównaniu z liczbą Reynoldsa dla różnych nanocieczy w porównaniu z konwencjonalnymi probówkami.
Rysunki 13 i 14 przedstawiają średni współczynnik tarcia (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain}}\)) i stratę ciśnienia (\(\frac{{\Delta P} _ {Skręcony}}{{\Delta P}_{Zwykły}}\}} około 45° i 90° dla konwencjonalnych rur wykorzystujących nanociecze DW, wymieniacz jonowy (GNPs-SDBS@DW) i (GNPs-COOH@DW) zawiera ( 0,025% wag., 0,05% wag. i 0,1% wag.).{{f}_{Zwykły} }\)) i strata ciśnienia (\(\frac{{\Delta P}_{Skręcone}}{{\Delta P }_{Zwykły}}\}) w przypadkach, współczynnik tarcia i strata ciśnienia są wyższe przy niższych liczbach Reynoldsa. Średni współczynnik tarcia i strata ciśnienia mieszczą się w przedziale od 3,78 do 3,12. Średni współczynnik tarcia i strata ciśnienia pokazują, że (linia spiralna 45° kąt i 90°) wymiennik ciepła kosztuje trzy razy więcej niż konwencjonalne rury. Ponadto, gdy płyn roboczy przepływa z większą prędkością, współczynnik tarcia maleje. Problem pojawia się, ponieważ wraz ze wzrostem liczby Reynoldsa grubość warstwy granicznej zmniejsza się, co prowadzi do zmniejszenia wpływu lepkości dynamicznej na dotknięty obszar, zmniejszenia gradientów prędkości i naprężeń ścinających, a w konsekwencji zmniejszenia współczynnika tarcia21.Lepszy efekt blokowania wynikający z obecności TT i zwiększonego zawirowania skutkuje znacznie większymi stratami ciśnienia w przypadku heterogenicznych rur TT niż w przypadku rur podstawowych.Dodatkowo zarówno dla rury bazowej jak i rury TT widać, że spadek ciśnienia wzrasta wraz z prędkością płynu roboczego43.
Współczynnik tarcia (kąt linii śrubowej 45° i 90°) w funkcji liczby Reynoldsa dla różnych nanocieczy w porównaniu z konwencjonalnymi rurkami.
Strata ciśnienia (kąt linii śrubowej 45° i 90°) w funkcji liczby Reynoldsa dla różnych nanocieczy w porównaniu z konwencjonalną rurką.
Podsumowując, Rysunek 15 przedstawia kryteria oceny wydajności (PEC) dla wymienników ciepła o kątach 45° i 90° w porównaniu z rurami gładkimi (\(\frac{{PEC}_{Skręcone}}{{PEC}_{Zwykłe}} \ )) w (0,025% wag., 0,05% wag. i 0,1% wag.) przy użyciu nanocieczy DV, (VNP-SDBS@DV) i kowalencyjnych (VNP-COOH@DV).Wartość (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) > 1 w obu przypadkach (kąt pochylenia linii śrubowej 45° i 90°) w wymienniku ciepła.Ponadto (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) osiąga najlepszą wartość przy Re = 11 000.Wymiennik ciepła 90° wykazuje niewielki wzrost (\ (\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) w porównaniu do wymiennika ciepła 45°., Przy Re = 11 000 0,1% wag.-GNPs@SDBS reprezentuje wyższe wartości (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) wartości, np. 1,25 dla narożnika wymiennika ciepła 45° i 1,27 dla narożnego wymiennika ciepła 90°.Jest ona większa od jedności przy wszystkich procentach udziału masowego, co wskazuje, że rury z wkładkami z taśmy skręconej są lepsze od rur konwencjonalnych.Warto zauważyć, że ulepszone przenoszenie ciepła zapewniane przez wkładki taśmowe spowodowało znaczny wzrost strat tarcia22.
Kryteria wydajności dla liczby Reynoldsa różnych nanocieczy w odniesieniu do rurek konwencjonalnych (kąt pochylenia linii śrubowej 45° i 90°).
Załącznik A przedstawia usprawnienia dla wymienników ciepła 45° i 90° przy Re = 7000 przy użyciu DW, 0,1% wag.-GNP-SDBS@DW i 0,1% wag.-GNP-COOH@DW.Najbardziej uderzającą cechą efektu skręconych wstawek taśmowych na głównym przepływie są opływowe linie w płaszczyźnie poprzecznej.Zastosowanie wymienników ciepła 45° i 90° pokazuje, że prędkość w obszarze przyściennym jest w przybliżeniu taka sama.Tymczasem w Załączniku B przedstawiono kontury prędkości dla wymienników ciepła 45° i 90° przy Re = 7000 przy użyciu DW, 0,1% wag.-GNP-SDBS@DW i 0,1% wag.-GNP-COOH@DW.Pętle prędkości znajdują się w trzech różnych lokalizacjach (plasterkach), na przykład Zwykły-1 (P1 = -30 mm), Zwykły-4 (P4 = 60 mm) i Zwykły-7 (P7 = 150 mm).Prędkość przepływu w pobliżu ścianki rury jest najniższa, a prędkość płynu wzrasta w kierunku środka rury.Ponadto podczas przechodzenia przez kanał powietrzny zwiększa się obszar małych prędkości w pobliżu ściany.Wynika to ze wzrostu hydrodynamicznej warstwy granicznej, która zwiększa grubość obszaru małych prędkości w pobliżu ściany.Ponadto zwiększenie liczby Reynoldsa zwiększa ogólny poziom prędkości we wszystkich przekrojach, zmniejszając w ten sposób grubość obszaru niskich prędkości w kanale39.
Kowalencyjnie i niekowalencyjnie funkcjonalizowane nanocząstki grafenu oceniano we wkładkach ze skręconej taśmy o kątach spirali 45° i 90°.Wymiennik ciepła został rozwiązany numerycznie za pomocą modelu turbulencji k-omega SST przy 7000 ≤ Re ≤ 17000. Właściwości termofizyczne obliczono dla Tin = 308 K. Jednocześnie nagrzewaj ściankę skręconej rury w stałej temperaturze 330 K. COOH@DV) rozcieńczono w trzech ilościach masowych, na przykład (0,025% wag., 0,05% wag. i 0,1% wag.).W bieżącym badaniu wzięto pod uwagę sześć głównych czynników: temperaturę wylotową, współczynnik przenikania ciepła, średnią liczbę Nusselta, współczynnik tarcia, utratę ciśnienia i kryteria oceny wydajności.Oto główne wnioski:
Średnia temperatura na wylocie (\({T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) jest zawsze mniejsza niż 1, co oznacza, że non-spread Temperatura wylotowa nanocieczy walencyjnych (ZNP-SDBS@DV) i kowalencyjnych (ZNP-COOH@DV) jest niższa niż temperatura cieczy bazowej.Tymczasem średnia temperatura na wylocie (\({T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\)) > 1, wskazując fakt, że (kąt linii śrubowej 45° i 90°) temperatura na wylocie jest wyższa niż w przypadku konwencjonalnych rur.
W obu przypadkach średnie wartości właściwości przenoszenia ciepła (nanociecz/płyn bazowy) i (skręcona rurka/normalna rurka) zawsze wykazują >1.Nanociecze niekowalencyjne (GNPs-SDBS@DW) wykazały wyższy średni wzrost przenikania ciepła, co odpowiada nanopłynom kowalencyjnym (GNPs-COOH@DW).
Średni współczynnik tarcia (\({f}_{Nanofluids}/{f}_{Basefluid}\)) niekowalencyjnych (VNP-SDBS@DW) i kowalencyjnych (VNP-COOH@DW) nanocieczy wynosi zawsze ≈1 .tarcie niekowalencyjnych (ZNP-SDBS@DV) i kowalencyjnych (ZNP-COOH@DV) nanocieczy (\({f}_{Twisted}/{f}_{Plain}\)) dla zawsze > 3.
W obu przypadkach (kąt linii śrubowej 45° i 90°) nanociecze (GNPs-SDBS@DW) wykazały wyższy poziom (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) 0,025 % wag. dla 2,04%, 0,05% wag. dla 2,46% i 0,1% wag. dla 3,44%.Tymczasem nanopłyny (GNPs-COOH@DW) wykazały niższy (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) z 1,31% dla 0,025% wag. do 1,65% wynosi 0,05 % wagowo.Ponadto średnia strata ciśnienia (\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\) niekowalencyjnego (GNPs-SDBS@DW) i kowalencyjnego (GNPs-COOH@DW ))) nanociecze zawsze >3.
W obu przypadkach (kąt linii śrubowej 45° i 90°) nanociecze (GNPs-SDBS@DW) wykazały wyższą (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC} _{Basefluid}\)) @DW wartość) np. 0,025% wag. – 1,17, 0,05% wag. – 1,19, 0,1% wag. – 1,26.W tym przypadku wartości (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\)) przy użyciu nanocieczy (GNPs-COOH@DW) wynoszą 1,02 dla 0,025% wag., 1,05 dla 0 , 05% wag.%, a 1,02 oznacza 0,1% wagowego.Ponadto przy Re = 11 000, 0,1% wag.-GNPs@SDBS wykazało wyższe wartości (\({PEC}_{Twisted}/{PEC}_{Plain}\)), takie jak 1,25 dla kąta pochylenia linii śrubowej 45° i kąt pochylenia linii śrubowej 90° 1,27.
Thianpong, C. i in.Uniwersalna optymalizacja przepływu nanopłynnego dwutlenku tytanu/wody w wymienniku ciepła, wzmocniona wkładkami ze skręconej taśmy ze skrzydełkami delta.wewnętrzny J. Gorący.nauka.172, 107318 (2022).
Langerudi, HG i Jawaerde, C. Eksperymentalne badanie nienewtonowskiego przepływu płynu w mieszkach wprowadzonych za pomocą typowych i skręconych taśm w kształcie litery V.Transfer ciepła i masy 55, 937–951 (2019).
Dong, X. i in.Badania eksperymentalne charakterystyki wymiany ciepła i oporów przepływu rurowego wymiennika ciepła ze skrętem spiralnym [J].Temperatura aplikacji.projekt.176, 115397 (2020).
Yongsiri, K., Eiamsa-Ard, P., Wongcharee, K. i Eiamsa-Ard, SJCS Lepsze przenoszenie ciepła w turbulentnym przepływie kanałowym za pomocą ukośnych żeber oddzielających.badania tematyczne.temperatura.projekt.3, 1–10 (2014).
Czas publikacji: 17 marca 2023 r