Дякуємо, що відвідали Nature.com.Ви використовуєте версію браузера з обмеженою підтримкою CSS.Для найкращої роботи радимо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer).Крім того, щоб забезпечити постійну підтримку, ми показуємо сайт без стилів і JavaScript.
Повзунки, що показують три статті на слайді.Використовуйте кнопки «Назад» і «Далі» для переходу між слайдами або кнопки керування слайдами в кінці для переходу між слайдами.
304 10*1 мм спіральна труба з нержавіючої сталі в Китаї
Розмір: 3/4 дюйма, 1/2 дюйма, 1 дюйм, 3 дюйма, 2 дюйма
Довжина труби агрегату: 6 метрів
Марка сталі: 201, 304 І 316
Оцінка: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,
Матеріал: НЕРЖАВІЮЧА СТАЛЬ
Стан: новий
Котушка труби з нержавіючої сталі
Розмір: 3/4 дюйма, 1/2 дюйма, 1 дюйм, 3 дюйма, 2 дюйма
Довжина труби агрегату: 6 метрів
Марка сталі: 201, 304 І 316
Оцінка: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,
Матеріал: НЕРЖАВІЮЧА СТАЛЬ
Стан: новий
Ковалентні та нековалентні нанофлюїди перевіряли в круглих трубках, оснащених вставками з крученої стрічки з кутами спіралі 45° та 90°.Число Рейнольдса становило 7000 ≤ Re ≤ 17000, теплофізичні властивості оцінювали при 308 K. Фізична модель розв’язана чисельно з використанням двопараметричної моделі турбулентної в’язкості (SST k-omega turbulence).У роботі розглядалися концентрації (0,025 мас.%, 0,05 мас.% та 0,1 мас.%) нанофлюїдів ZNP-SDBS@DV та ZNP-COOH@DV.Стінки кручених труб нагріваються при постійній температурі 330 К. У поточному дослідженні розглядалося шість параметрів: температура на виході, коефіцієнт теплопередачі, середнє число Нуссельта, коефіцієнт тертя, втрати тиску та критерії оцінки ефективності.В обох випадках (кут спіралі 45° та 90°) нанофлюїд ZNP-SDBS@DV показав вищі теплогідравлічні характеристики, ніж ZNP-COOH@DV, і вони зростали зі збільшенням масової частки, наприклад, 0,025 мас., і 0,05 мас.дорівнює 1,19.% та 1,26 – 0,1 мас. %.В обох випадках (кут спіралі 45° і 90°) значення термодинамічних характеристик при використанні GNP-COOH@DW становлять 1,02 для 0,025% мас., 1,05 для 0,05% мас.і 1,02 для 0,1% мас.
Теплообмінник — це термодинамічний пристрій 1, який використовується для передачі тепла під час операцій охолодження та нагрівання.Теплогідравлічні властивості теплообмінника покращують коефіцієнт тепловіддачі і знижують опір робочого тіла.Було розроблено кілька методів для покращення теплопередачі, включаючи підсилювачі турбулентності2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 і нанофлюїди12,13,14,15.Вставлення крученої стрічки є одним із найуспішніших методів покращення теплообміну в теплообмінниках завдяки простоті обслуговування та низькій вартості7,16.
У серії експериментальних та обчислювальних досліджень досліджено гідротермічні властивості сумішей нанофлюїдів і теплообмінників із вставками з крученої стрічки.В експериментальній роботі гідротермічні властивості трьох різних металевих нанофлюїдів (Ag@DW, Fe@DW і Cu@DW) були вивчені в теплообміннику з голчастою стрічкою (STT)17.Порівняно з базовою трубою, коефіцієнт теплопередачі STT покращений на 11% і 67%.Оптимальною з економічної точки зору за ККД є компонування ССТ з параметром α = β = 0,33.Крім того, збільшення n на 18,2% спостерігалося з Ag@DW, хоча максимальне збільшення втрати тиску становило лише 8,5%.Фізичні процеси теплообміну та втрати тиску в концентричних трубах зі змійовими турбуляторами та без них досліджено з використанням турбулентних потоків нанофлюїду Al2O3@DW з примусовою конвекцією.Максимальне середнє число Нуссельта (Nuavg) і втрата тиску спостерігаються при Re = 20 000, коли крок котушки = 25 мм і нанорідина Al2O3@DW 1,6 об.%.Були також проведені лабораторні дослідження для вивчення характеристик теплообміну та втрати тиску нанофлюїдів оксиду графену (GO@DW), що протікають через майже круглі труби зі вставками WC.Результати показали, що 0,12 об.%-GO@DW збільшив коефіцієнт конвективної теплопередачі приблизно на 77%.В іншому експериментальному дослідженні нанофлюїди (TiO2@DW) були розроблені для вивчення теплогідравлічних характеристик трубок із ямками, оснащених вставками з крученої стрічки20.Максимальна гідротермічна ефективність 1,258 була досягнута за допомогою 0,15 об.%-TiO2@DW, вбудованого в нахилені під кутом 45° вали з коефіцієнтом кручення 3,0.Однофазні та двофазні (гібридні) імітаційні моделі враховують потік і теплообмін нанофлюїдів CuO@DW при різних концентраціях твердих речовин (1–4% об.%)21.Максимальна теплова ефективність трубки, вставленої з однією крученою стрічкою, становить 2,18, а трубки, вставленої з двома крученими стрічками, за тих самих умов становить 2,04 (двофазна модель, Re = 36 000 і 4 об.%).Досліджено неньютонівський турбулентний нанофлюїдний потік карбоксиметилцелюлози (CMC) і оксиду міді (CuO) в магістральних трубах і трубах з крученими вставками.Nuavg демонструє покращення на 16,1% (для магістрального трубопроводу) і 60% (для згорнутого трубопроводу зі співвідношенням (H/D = 5)).Як правило, нижче співвідношення кручення до стрічки призводить до більш високого коефіцієнта тертя.В експериментальному дослідженні з використанням нанофлюїдів CuO@DW досліджено вплив труб з крученою стрічкою (ТТ) і котушок (ВК) на властивості тепловіддачі та коефіцієнт тертя.Використовуючи 0,3 об.%-CuO@DW при Re = 20000 дозволяє підвищити тепловіддачу в трубі ВК-2 до максимального значення 44,45%.Крім того, при використанні кабелю з витою парою та вставкою котушки за однакових граничних умов коефіцієнт тертя збільшується в 1,17 і 1,19 разів порівняно з DW.Загалом термічна ефективність нанофлюїдів, вставлених у котушки, краща, ніж нанофлюїдів, вставлених у багатожильні дроти.Об’ємна характеристика турбулентного (MWCNT@DW) потоку нанофлюїду була досліджена всередині горизонтальної трубки, вставленої в спіральний дріт.Параметри теплових характеристик були > 1 для всіх випадків, що вказує на те, що поєднання нанофлюїдних компонентів із вставкою котушки покращує теплопередачу без споживання енергії насоса.Досліджено гідротермічні характеристики двотрубного теплообмінника з різними вставками з модифікованої кручено-крученої V-подібної стрічки (VcTT) в умовах турбулентного потоку нанофлюїду Al2O3 + TiO2@DW.У порівнянні з DW в базових трубах, Nuavg має значне покращення на 132% і коефіцієнт тертя до 55%.Крім того, обговорювалася енергоефективність нанокомпозиту Al2O3+TiO2@DW у двотрубному теплообміннику26.У своєму дослідженні вони виявили, що використання Al2O3 + TiO2@DW і TT покращує ексергетичну ефективність порівняно з DW.У концентричних трубчастих теплообмінниках з турбуляторами VcTT Сінгх і Саркар27 використовували матеріали з фазовою зміною (PCM), дисперговані одиничні/нанокомпозитні нанофлюїди (Al2O3@DW з PCM і Al2O3 + PCM).Вони повідомили, що теплопередача і втрати тиску збільшуються, коли коефіцієнт скручування зменшується і концентрація наночастинок збільшується.Більший коефіцієнт глибини V-подібного вирізу або менший коефіцієнт ширини може забезпечити більшу теплопередачу та втрату тиску.Крім того, графен-платина (Gr-Pt) використовувалася для дослідження тепла, тертя та загальної швидкості генерації ентропії в трубках зі вставками 2-TT28.Їхнє дослідження показало, що менший відсоток (Gr-Pt) значно зменшує утворення теплової ентропії порівняно з відносно вищим розвитком ентропії тертя.Змішані нанофлюїди Al2O3@MgO та конічний WC можна вважати гарною сумішшю, оскільки підвищене співвідношення (h/Δp) може покращити гідротермічні характеристики двотрубного теплообмінника 29 .Чисельна модель використовується для оцінки енергозберігаючих та екологічних характеристик теплообмінників із різними трикомпонентними гібридними нанофлюїдами (THNF) (Al2O3 + графен + MWCNT), зваженими в DW30.Завдяки критеріям оцінки продуктивності (PEC) у діапазоні 1,42–2,35 необхідна комбінація турбулізаторної вставки з вдавленою крученою формою (DTTI) і (Al2O3 + графен + MWCNT).
Досі мало уваги приділялося ролі ковалентної та нековалентної функціоналізації в гідродинамічному потоці в теплових рідинах.Конкретною метою цього дослідження було порівняння теплогідравлічних характеристик нанофлюїдів (ZNP-SDBS@DV) та (ZNP-COOH@DV) у вставках з крученої стрічки з кутами спіралі 45° та 90°.Теплофізичні властивості вимірювали при Tin = 308 К. У цьому випадку в процесі порівняння враховували три масові частки, такі як (0,025 мас.%, 0,05 мас.% і 0,1 мас.%).Передача напруги зсуву в 3D моделі турбулентного потоку (SST k-ω) використовується для вирішення теплогідравлічних характеристик.Таким чином, дане дослідження вносить значний внесок у вивчення позитивних властивостей (теплообмін) і негативних властивостей (падіння тиску на тертя), демонструючи теплогідравлічні характеристики та оптимізацію реальних робочих тіл у таких інженерних системах.
Базова конфігурація - гладка труба (L = 900 мм і Dh = 20 мм).Розміри вставленої крученої стрічки (довжина = 20 мм, товщина = 0,5 мм, профіль = 30 мм).У цьому випадку довжина, ширина та хід спірального профілю становили відповідно 20 мм, 0,5 мм та 30 мм.Скручені стрічки мають нахил під кутом 45° і 90°.Різні робочі рідини, такі як DW, нековалентні нанофлюїди (GNF-SDBS@DW) і ковалентні нанофлюїди (GNF-COOH@DW) при Tin = 308 К, трьох різних масових концентраціях і різних числах Рейнольдса.Випробування проводилися всередині теплообмінника.Зовнішню стінку спіральної труби нагрівали при постійній температурі поверхні 330 К, щоб перевірити параметри для покращення теплопередачі.
На рис.1 схематично показана вставна трубка зі скрученої стрічки з відповідними граничними умовами та площею сітки.Як згадувалося раніше, граничні умови швидкості та тиску застосовуються до вхідної та вихідної частин спіралі.При постійній температурі поверхні на стінці труби створюється нековзкий стан.Поточне чисельне моделювання використовує рішення на основі тиску.При цьому використовується програма (ANSYS FLUENT 2020R1) для перетворення диференціального рівняння в часткових похідних (PDE) в систему алгебраїчних рівнянь методом кінцевого об’єму (FMM).Метод SIMPLE другого порядку (напівнеявний метод для послідовних рівнянь, що залежать від тиску) пов’язаний зі швидкістю-тиском.Слід підкреслити, що збіжність нев'язок для рівнянь маси, імпульсу та енергії менше 103 і 106 відповідно.
p Діаграма фізичної та обчислювальної областей: (a) кут спіралі 90°, (b) кут спіралі 45°, (c) немає спіральної лопаті.
Для пояснення властивостей нанофлюїдів використовується однорідна модель.Завдяки введенню наноматеріалів у базову рідину (DW) утворюється безперервна рідина з чудовими тепловими властивостями.У зв'язку з цим температура і швидкість базової рідини і наноматеріалу мають однакове значення.Завдяки наведеним вище теоріям і припущенням ефективний однофазний потік працює в цьому дослідженні.Кілька досліджень продемонстрували ефективність і застосовність однофазних методів для нанофлюїдного потоку31,32.
Потік нанофлюїдів повинен бути ньютонівським турбулентним, нестисливим і стаціонарним.Робота стиснення та в’язке нагрівання не мають значення в цьому дослідженні.Крім того, не враховується товщина внутрішньої і зовнішньої стінок труби.Таким чином, рівняння збереження маси, імпульсу та енергії, які визначають теплову модель, можна виразити таким чином:
де \(\overrightarrow{V}\) — вектор середньої швидкості, Keff = K + Kt — ефективна теплопровідність ковалентних і нековалентних нанофлюїдів, а ε — швидкість розсіювання енергії.Ефективні теплофізичні властивості нанофлюїдів, включаючи густину (ρ), в'язкість (μ), питому теплоємність (Cp) і теплопровідність (k), наведені в таблиці, були виміряні під час експериментального дослідження при температурі 308 K1 при використанні в цих симуляторах.
Чисельне моделювання турбулентного потоку нанофлюїдів у звичайних трубках і трубках ТТ було виконано при числах Рейнольдса 7000 ≤ Re ≤ 17000. Ці моделювання та коефіцієнти конвективної теплопередачі були проаналізовані за допомогою κ-ω моделі турбулентності Mentor передачі напруги зсуву (SST), усередненої за турбулентністю Рейнольдса. Модель Нав'є-Стокса, яка зазвичай використовується в аеродинамічних дослідженнях.Крім того, модель працює без настінної функції і точна біля стін 35,36.(SST) κ-ω керівні рівняння моделі турбулентності такі:
де \(S\) - значення швидкості деформації, а \(y\) - відстань до прилеглої поверхні.Тим часом \({\alpha}_{1}\), \({\alpha}_{2}\), \({\beta}_{1}\), \({\beta}_{ 2 }\), \({\beta}^{*}\), \({\sigma}_{{k}_{1}}\), \({\sigma}_{{k}_{ 2 }}\), \({\sigma}_{{\omega}_{1}}\) і \({\sigma}_{{\omega}_{2}}\) позначають усі константи моделі.F1 і F2 є змішаними функціями.Примітка: F1 = 1 у прикордонному шарі, 0 у набігаючому потоці.
Параметри оцінки ефективності використовуються для дослідження турбулентного конвективного теплообміну, ковалентного та нековалентного потоку нанофлюїдів, наприклад31:
У цьому контексті (\(\rho\)), (\(v\)), (\({D}_{h}\)) і (\(\mu\)) використовуються для густини, швидкості рідини , гідравлічний діаметр і динамічна в'язкість.(\({C}_{p}\, \mathrm{u}\, k\)) – питома теплоємність і теплопровідність текучої рідини.Крім того, (\(\dot{m}\)) стосується масової витрати, а (\({T}_{out}-{T}_{in}\)) стосується різниці температур на вході та виході.(NFs) відноситься до ковалентних, нековалентних нанофлюїдів, а (DW) відноситься до дистильованої води (базова рідина).\({A}_{s} = \pi DL\), \({\overline{T}}_{f}=\frac{\left({T}_{out}-{T}_{in }\right)}{2}\) і \({\overline{T}}_{w}=\sum \frac{{T}_{w}}{n}\).
Теплофізичні властивості базової рідини (DW), нековалентної нанофлюїду (GNF-SDBS@DW) і ковалентної нанофлюїду (GNF-COOH@DW) були взяті з опублікованої літератури (експериментальні дослідження), Sn = 308 K, як показано в таблиці 134. У типовому експерименті з отримання нековалентної (GNP-SDBS@DW) нанофлюїду з відомими масовими відсотками певні грами первинних ВНП спочатку зважувалися на цифрових вагах.Вагове співвідношення SDBS/власний ВНП становить (0,5:1) зважене у DW.У цьому випадку ковалентні (COOH-GNP@DW) нанофлюїди були синтезовані шляхом додавання карбоксильних груп до поверхні GNP з використанням сильнокислого середовища з об’ємним співвідношенням (1:3) HNO3 та H2SO4.Ковалентні та нековалентні нанофлюїди були суспендовані в DW у трьох різних вагових відсотках, таких як 0,025 мас.%, 0,05 мас.%.і 0,1% мас.
Тести на незалежність сітки були проведені в чотирьох різних обчислювальних областях, щоб переконатися, що розмір сітки не впливає на моделювання.У випадку торсіонної труби 45° кількість одиниць з розміром одиниці 1,75 мм становить 249 033, кількість одиниць з розміром одиниці 2 мм становить 307 969, кількість одиниць з розміром одиниці 2,25 мм становить 421 406, а кількість одиниць з розміром одиниці 2,5 мм 564 940 відповідно.Крім того, у прикладі труби зі скручуванням на 90° кількість елементів з розміром елемента 1,75 мм становить 245 531, кількість елементів з розміром елемента 2 мм становить 311 584, кількість елементів з розміром елемента 2,25 мм становить 422 708, а кількість елементів з розміром елемента 2,5 мм становить відповідно 573 826.Точність зчитування теплових властивостей, таких як (Tout, htc і Nuavg), зростає зі зменшенням кількості елементів.При цьому точність значень коефіцієнта тертя і перепаду тиску показала зовсім іншу поведінку (рис. 2).Сітку (2) використовували як основну область сітки для оцінки теплогідравлічних характеристик у змодельованому випадку.
Перевірка ефективності теплообміну та перепаду тиску незалежно від сітки за допомогою пар труб DW, скручених на 45° та 90°.
Наведені чисельні результати підтверджено для ефективності теплопередачі та коефіцієнта тертя з використанням добре відомих емпіричних кореляцій і рівнянь, таких як Діттус-Белтер, Петухов, Гнелінський, Ноттер-Рауз і Блазіус.Порівняння проводилось за умови 7000≤Re≤17000.Відповідно до рис.3, середня та максимальна похибки між результатами моделювання та рівнянням теплопередачі становлять 4,050 та 5,490% (Діттус-Бельтер), 9,736 та 11,33% (Петухов), 4,007 та 7,483% (Гнелінський), 3,883% та 4,937% ( Нотт-Белтер).Троянда).У цьому випадку середня та максимальна похибки між результатами моделювання та рівнянням коефіцієнта тертя становлять відповідно 7,346% та 8,039% (Блазіус) та 8,117% та 9,002% (Петухов).
Теплопередача та гідродинамічні властивості DW при різних числах Рейнольдса з використанням чисельних розрахунків та емпіричних кореляцій.
У цьому розділі обговорюються термічні властивості нековалентних (LNP-SDBS) і ковалентних (LNP-COOH) водних нанофлюїдів у трьох різних масових частках і числах Рейнольдса як середніх відносно основної рідини (DW).Для 7000 ≤ Re ≤ 17000 розглядаються дві геометрії теплообмінників зі змійовою стрічкою (кут спіралі 45° та 90°). На рис.4 показано середню температуру на виході нанофлюїду в базову рідину (DW) (\(\frac{{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{ DW } } \) ) при (0,025% мас., 0,05% мас. і 0,1% мас.).(\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) завжди менше 1, що означає, що температура на виході є нековалентними (VNP-SDBS) і ковалентними (VNP-COOH) нанофлюїдами нижче температури на виході з основної рідини.Найнижче та найвище зниження становили 0,1 мас.%-COOH@GNP та 0,1 мас.%-SDBS@GNP, відповідно.Це явище зумовлене збільшенням числа Рейнольдса при постійній масовій частці, що призводить до зміни властивостей нанофлюїду (тобто густини та динамічної в’язкості).
На малюнках 5 і 6 показано середні характеристики теплопередачі нанофлюїду до базової рідини (DW) при (0,025 мас.%, 0,05 мас.% і 0,1 мас.%).Середні властивості теплопередачі завжди більші за 1, що означає, що властивості теплопередачі нековалентних (LNP-SDBS) і ковалентних (LNP-COOH) нанофлюїдів покращуються порівняно з базовою рідиною.0,1 мас.%-COOH@GNP та 0,1 мас.%-SDBS@GNP досягли найменшого та найвищого приросту відповідно.Коли число Рейнольдса збільшується внаслідок більшого змішування рідини та турбулентності в трубі 1, ефективність теплопередачі покращується.Рідини через невеликі зазори досягають вищих швидкостей, що призводить до тоншого прикордонного шару швидкість/тепло, що збільшує швидкість передачі тепла.Додавання більшої кількості наночастинок до базової рідини може мати як позитивні, так і негативні результати.Позитивні ефекти включають збільшення зіткнень наночастинок, сприятливі вимоги до теплопровідності рідини та покращену теплопередачу.
Коефіцієнт теплопередачі нанофлюїду до базової рідини в залежності від числа Рейнольдса для трубок 45° і 90°.
Водночас негативним ефектом є збільшення динамічної в’язкості нанорідини, що зменшує рухливість нанорідини, тим самим зменшуючи середнє число Нуссельта (Nuavg).Підвищена теплопровідність нанофлюїдів (ZNP-SDBS@DW) і (ZNP-COOH@DW) повинна бути зумовлена броунівським рухом і мікроконвекцією наночастинок графену, зважених у DW37.Теплопровідність нанорідини (ZNP-COOH@DV) вища, ніж у нанорідини (ZNP-SDBS@DV) і дистильованої води.Додавання більшої кількості наноматеріалів до базової рідини збільшує їх теплопровідність (табл. 1)38.
На малюнку 7 показано середній коефіцієнт тертя нанофлюїдів з базовою рідиною (DW) (f(NFs)/f(DW)) у масових відсотках (0,025%, 0,05% і 0,1%).Середній коефіцієнт тертя завжди ≈1, що означає, що нековалентні (GNF-SDBS@DW) і ковалентні (GNF-COOH@DW) нанофлюїди мають той самий коефіцієнт тертя, що й базова рідина.Теплообмінник з меншим простором створює більше перешкод для потоку та збільшує тертя потоку1.В основному, коефіцієнт тертя дещо збільшується зі збільшенням масової частки нанофлюїду.Вищі втрати на тертя спричинені підвищеною динамічною в’язкістю нанофлюїду та підвищеним напруженням зсуву на поверхні з більшим масовим відсотком нанографену в базовій рідині.Таблиця (1) показує, що динамічна в’язкість нанофлюїду (ZNP-SDBS@DV) вища, ніж у нанофлюїду (ZNP-COOH@DV) при тому самому масовому відсотку, що пов’язано з додаванням поверхневих ефектів.активні агенти на нековалентній нанофлюїді.
На рис.8 показано порівняння нанофлюїду з базовою рідиною (DW) (\(\frac{{\Delta P}_{NFs}}{{\Delta P}_{DW}}\)) при (0,025%, 0,05% і 0,1% ).Нековалентна (GNPs-SDBS@DW) нанофлюїд продемонструвала вищу середню втрату тиску, а також збільшення масового відсотка до 2,04% для 0,025% мас., 2,46% для 0,05% мас.і 3,44% для 0,1% мас.зі збільшенням корпусу (кут спіралі 45° і 90°).Тим часом нанофлюїд (GNPs-COOH@DW) продемонстрував нижчу середню втрату тиску, збільшившись з 1,31% при 0,025% мас.до 1,65% при 0,05% мас.Середня втрата тиску 0,05 мас.%-COOH@NP і 0,1 мас.%-COOH@NP становить 1,65%.Як видно, падіння тиску зростає зі збільшенням числа Re у всіх випадках.На підвищений перепад тиску при високих значеннях Re вказує пряма залежність від об'ємної витрати.Отже, більш високе число Re в трубці призводить до більшого падіння тиску, що вимагає збільшення потужності насоса39,40.Крім того, втрати тиску є вищими через більшу інтенсивність завихрень і турбулентності, створюваних більшою площею поверхні, що збільшує взаємодію тиску та сил інерції в прикордонному шарі1.
Загалом критерії оцінки ефективності (PEC) для нековалентних (VNP-SDBS@DW) і ковалентних (VNP-COOH@DW) нанофлюїдів показані на рис.9. Нанофлюїд (ZNP-SDBS@DV) показав вищі значення PEC ніж (ZNP-COOH@DV) в обох випадках (кут спіралі 45° і 90°), і він був покращений шляхом збільшення масової частки, наприклад, 0,025 мас.%.становить 1,17, 0,05 мас.% становить 1,19 і 0,1 мас.% становить 1,26.У той же час, значення PEC з використанням нанофлюїдів (GNPs-COOH@DW) становили 1,02 для 0,025% мас., 1,05 для 0,05% мас., 1,05 для 0,1% мас.в обох випадках (кут спіралі 45° і 90°).1.02.Як правило, зі збільшенням числа Рейнольдса теплогідравлічний ККД значно знижується.Зі збільшенням числа Рейнольдса зменшення теплогідравлічного коефіцієнта корисної дії систематично пов’язане зі збільшенням (NuNFs/NuDW) і зменшенням (fNFs/fDW).
Гідротермічні властивості нанофлюїдів по відношенню до базових рідин залежно від чисел Рейнольдса для трубок з кутами 45° та 90°.
У цьому розділі обговорюються теплові властивості води (DW), нековалентних (VNP-SDBS@DW) і ковалентних (VNP-COOH@DW) нанофлюїдів при трьох різних масових концентраціях і числах Рейнольдса.Для оцінки середньої теплогідравлічної продуктивності було розглянуто дві геометрії теплообмінника зі змійовою стрічкою в діапазоні 7000 ≤ Re ≤ 17000 відносно звичайних труб (кути спіралі 45° та 90°).На рис.10 показано середнє значення температури води та нанофлюїдів на виході (кут спіралі 45° та 90°) для звичайної труби (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{ {T} _{out}}_{Regular}}\)).Нековалентні (GNP-SDBS@DW) і ковалентні (GNP-COOH@DW) нанофлюїди мають три різні вагові частки, такі як 0,025 мас.%, 0,05 мас.% і 0,1 мас.%.Як показано на рис.11, середнє значення температури на виході (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{{T}_{out}}_{Plain}}\)) > 1, вказуючи на те, що (кут спіралі 45° і 90°) температура на виході з теплообмінника вища, ніж у звичайній трубі, через більшу інтенсивність турбулентності та краще перемішування рідини.Крім того, температура на виході DW, нековалентних і ковалентних нанофлюїдів знижувалася зі збільшенням числа Рейнольдса.Основна рідина (DW) має найвищу середню температуру на виході.Між тим, найнижче значення відноситься до 0,1 мас.%-SDBS@GNPs.Нековалентні (GNPs-SDBS@DW) нанофлюїди продемонстрували нижчу середню температуру на виході порівняно з ковалентними (GNPs-COOH@DW) нанофлюїди.Оскільки скручена стрічка робить поле потоку більш змішаним, пристінний тепловий потік може легше проходити через рідину, підвищуючи загальну температуру.Нижче співвідношення скручування до стрічки забезпечує краще проникнення і, отже, кращу тепловіддачу.З іншого боку, можна побачити, що рулонна стрічка підтримує нижчу температуру на стіні, що, у свою чергу, збільшує Nuavg.Для вставок із скручених стрічок вище значення Nuavg вказує на покращений конвективний теплообмін усередині труби22.Через збільшення шляху потоку та додаткового перемішування та турбулентності час перебування збільшується, що призводить до підвищення температури рідини на виході41.
Числа Рейнольдса різних нанофлюїдів відносно температури на виході звичайних трубок (кути спіралі 45° та 90°).
Коефіцієнти теплопередачі (45° і 90° кут спіралі) проти чисел Рейнольдса для різних нанофлюїдів порівняно зі звичайними трубками.
Основний механізм покращеної теплопередачі спіральної стрічки полягає в наступному: 1. Зменшення гідравлічного діаметра теплообмінної трубки призводить до збільшення швидкості потоку та кривизни, що, у свою чергу, збільшує напругу зсуву на стінці та сприяє вторинному руху.2. Внаслідок закупорки стрічки змотування швидкість на стінці труби збільшується, а товщина прикордонного шару зменшується.3. Спіральний потік за крученим ременем призводить до збільшення швидкості.4. Індуковані вихори покращують змішування рідини між центральною та пристінною областями потоку42.На рис.11 та рис.12 показує властивості теплопередачі DW і нанофлюїдів, наприклад (коефіцієнт теплопередачі та середнє число Нуссельта) як середні значення за допомогою вставних труб зі скрученою стрічкою порівняно зі звичайними трубками.Нековалентні (GNP-SDBS@DW) і ковалентні (GNP-COOH@DW) нанофлюїди мають три різні вагові частки, такі як 0,025 мас.%, 0,05 мас.% і 0,1 мас.%.В обох теплообмінниках (кут спіралі 45° і 90°) середня продуктивність теплопередачі становить >1, що вказує на покращення коефіцієнта теплопередачі та середнього числа Нуссельта зі згорнутими трубками порівняно зі звичайними трубками.Нековалентні (GNPs-SDBS@DW) нанофлюїди продемонстрували більш високе середнє покращення теплопередачі, ніж ковалентні (GNPs-COOH@DW) нанофлюїди.При Re = 900 покращення ефективності теплопередачі -SDBS@GNPs на 0,1 мас.% для двох теплообмінників (кут спіралі 45° і 90°) було найвищим із значенням 1,90.Це означає, що рівномірний ефект TP більш важливий при менших швидкостях рідини (число Рейнольдса)43 і зростанні інтенсивності турбулентності.Завдяки введенню кількох завихрень коефіцієнт теплопередачі та середнє число Нуссельта трубок ТТ вищі, ніж у звичайних трубок, що призводить до тоншого прикордонного шару.Чи збільшує наявність ТН інтенсивність турбулентності, змішування потоків робочої рідини та посилення теплообміну порівняно з базовими трубами (без введення кручено-крученої стрічки)21.
Середнє число Нуссельта (кут спіралі 45° і 90°) порівняно з числом Рейнольдса для різних нанофлюїдів порівняно зі звичайними трубками.
На малюнках 13 і 14 показано середній коефіцієнт тертя (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain}}\)) і втрати тиску (\(\frac{{\Delta P} _ {Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\}} приблизно 45° та 90° для звичайних труб із використанням DW нанофлюїдів, (GNPs-SDBS@DW) та (GNPs-COOH@DW) іонообмінник містить (0,025 мас. %, 0,05 мас. % і 0,1 мас. %). { {f}_{Plain} }\)) і втрати тиску (\(\frac{{ \Delta P}_{Twisted}}{{\Delta P }_{Plain}}\}) зменшується. У випадках, коли коефіцієнт тертя та втрата тиску вищі при нижчих числах Рейнольдса Середній коефіцієнт тертя та втрата тиску становлять від 3,78 до 3,12 Середній коефіцієнт тертя та втрата тиску показують, що (45° спіралі кут і 90°) теплообмінник коштує втричі дорожче звичайних труб. Крім того, коли робоча рідина тече з більшою швидкістю, коефіцієнт тертя зменшується. Проблема виникає в тому, що зі збільшенням числа Рейнольдса товщина прикордонного шару збільшується. зменшується, що призводить до зменшення впливу динамічної в’язкості на зону ураження, зменшення градієнтів швидкості та напружень зсуву і, як наслідок, зменшення коефіцієнта тертя21.Покращений ефект блокування завдяки наявності ТТ і збільшеному завихренню призводить до значно вищих втрат тиску для неоднорідних труб ТТ, ніж для базових труб.Крім того, як для основної труби, так і для труби ТТ можна побачити, що падіння тиску збільшується зі швидкістю робочої рідини43.
Коефіцієнт тертя (кут спіралі 45° і 90°) від числа Рейнольдса для різних нанофлюїдів порівняно зі звичайними трубками.
Втрата тиску (кут спіралі 45° і 90°) як функція числа Рейнольдса для різних нанофлюїдів відносно звичайної трубки.
Підсумовуючи, на малюнку 15 показано критерії оцінки продуктивності (PEC) для теплообмінників із кутами 45° та 90° порівняно з простими трубами (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}} \ ) ) у (0,025 мас.%, 0,05 мас.% та 0,1 мас.%) з використанням DV, (VNP-SDBS@DV) та ковалентних (VNP-COOH@DV) нанофлюїдів.Значення (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) > 1 в обох випадках (кут спіралі 45° та 90°) у теплообміннику.Крім того, (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) досягає свого найкращого значення при Re = 11 000.90° теплообмінник демонструє невелике збільшення (\ (\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) порівняно з 45° теплообмінником., При Re = 11 000 0,1 мас.%-GNPs@SDBS представляє вищі (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) значення, наприклад 1,25 для кута теплообмінника 45° і 1,27 для кутового теплообмінника 90°.Він перевищує одиницю у всіх відсотках масової частки, що вказує на те, що труби зі вставками з крученої стрічки кращі за звичайні труби.Примітно, що покращена теплопередача, яку забезпечують стрічкові вставки, призвела до значного збільшення втрат на тертя22.
Критерії ефективності для числа Рейнольдса різних нанофлюїдів по відношенню до звичайних трубок (кут спіралі 45° і 90°).
У Додатку A показано лінії потоку для теплообмінників 45° і 90° при Re = 7000 з використанням DW, 0,1% мас.-GNP-SDBS@DW і 0,1% мас.-GNP-COOH@DW.Лінії потоку в поперечній площині є найяскравішою ознакою впливу кручених стрічкових вставок на основний потік.Використання теплообмінників 45° і 90° показує, що швидкість в пристінній області приблизно однакова.Тим часом у Додатку B показано контури швидкості для теплообмінників 45° і 90° при Re = 7000 з використанням DW, 0,1% мас.-GNP-SDBS@DW і 0,1% мас.-GNP-COOH@DW.Петлі швидкості знаходяться в трьох різних місцях (зрізах), наприклад, Plain-1 (P1 = −30 мм), Plain-4 (P4 = 60 мм) і Plain-7 (P7 = 150 мм).Швидкість потоку біля стінки труби найменша, а швидкість рідини зростає до центру труби.Крім того, при проходженні через повітропровід збільшується область низьких швидкостей біля стінки.Це пов'язано зі зростанням гідродинамічного прикордонного шару, який збільшує товщину низькошвидкісної області біля стінки.Крім того, збільшення числа Рейнольдса збільшує загальний рівень швидкості в усіх поперечних перерізах, тим самим зменшуючи товщину низькошвидкісної області в каналі39.
Ковалентно та нековалентно функціоналізовані графенові нанопласти були оцінені у скручених стрічкових вставках з кутами спіралі 45° та 90°.Теплообмінник розраховано чисельно за допомогою моделі турбулентності SST k-omega при 7000 ≤ Re ≤ 17000. Теплофізичні властивості розраховано при Tin = 308 K. Одночасно нагрійте стінку крученої труби при постійній температурі 330 K. COOH@DV) розбавляли трьома масовими кількостями, наприклад (0,025 мас.%, 0,05 мас.% і 0,1 мас.%).У поточному дослідженні розглянуто шість основних факторів: температура на виході, коефіцієнт теплопередачі, середнє число Нуссельта, коефіцієнт тертя, втрати тиску та критерії оцінки ефективності.Ось основні висновки:
Середня температура на виході (\({{T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) завжди менше 1, що означає, що без розтікання. Температура на виході валентних (ZNP-SDBS@DV) і ковалентних (ZNP-COOH@DV) нанофлюїдів нижча, ніж у базової рідини.Тим часом середня температура на виході (\({{T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\)) значення > 1, що вказує на той факт, що (кут спіралі 45° і 90°) температура на виході вища, ніж у звичайних трубах.
В обох випадках середні значення властивостей теплопередачі (нанофлюїд/базова рідина) і (кручена труба/звичайна труба) завжди показують >1.Нековалентні (GNPs-SDBS@DW) нанофлюїди продемонстрували вищий середній приріст теплопередачі, що відповідає ковалентним (GNPs-COOH@DW) нанофлюїдам.
Середній коефіцієнт тертя (\({f}_{Nanofluids}/{f}_{Basefluid}\)) нековалентних (VNP-SDBS@DW) і ковалентних (VNP-COOH@DW) нанорідин завжди становить ≈1 .тертя нековалентних (ZNP-SDBS@DV) і ковалентних (ZNP-COOH@DV) нанофлюїдів (\({f}_{Twisted}/{f}_{Plain}\)) для завжди > 3.
В обох випадках (кут спіралі 45° та 90°) нанофлюїди (GNPs-SDBS@DW) показали вищі (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) 0,025 % мас. для 2,04 %, 0,05 % мас. для 2,46 % і 0,1 % мас. для 3,44 %.Тим часом (GNPs-COOH@DW) нанофлюїди продемонстрували нижчий вміст (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) від 1,31% для 0,025 мас.% до 1,65% становить 0,05 % маси.Крім того, середня втрата тиску (\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\) нековалентного (GNPs-SDBS@DW) і ковалентного (GNPs-COOH@DW) ))) нанофлюїди завжди >3.
В обох випадках (кути спіралі 45° та 90°) нанофлюїди (GNPs-SDBS@DW) показали вище (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC} _{Basefluid}\)) значення @DW) , наприклад 0,025 мас.% – 1,17, 0,05 мас.% – 1,19, 0,1 мас.% – 1,26.У цьому випадку значення ({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\)) з використанням (GNPs-COOH@DW) нанофлюїдів становлять 1,02 для 0,025 мас.%, 1,05 для 0 , 05 мас.% і 1,02 становить 0,1 % мас.Крім того, при Re = 11 000 0,1 мас.%-GNPs@SDBS показало вищі значення (\({PEC}_{Twisted}/{PEC}_{Plain}\)), наприклад 1,25 для кута спіралі 45° і кут спіралі 90° 1,27.
Thianpong, C. та ін.Багатоцільова оптимізація потоку нанофлюїду діоксид титану/вода в теплообміннику, посилена вставками з крученої стрічки з дельтаподібними крильцями.внутрішній Я. Гарячий.наука.172, 107318 (2022).
Langerudi, HG та Jawaerde, C. Експериментальне дослідження неньютонівського потоку рідини в сильфоні, вставленому з типовими та V-подібними крученими стрічками.Тепло- та масообмін 55, 937–951 (2019).
Dong, X. та ін.Експериментальне дослідження теплообмінних характеристик і опору потоку спірально-закрученого трубчастого теплообмінника [J].Температура застосування.демонструвати.176, 115397 (2020).
Yongsiri, K., Eiamsa-Ard, P., Wongcharee, K. & Eiamsa-Ard, SJCS Покращена теплопередача в турбулентному потоці каналу з косими роздільними ребрами.тематичні дослідження.температура.демонструвати.3, 1–10 (2014).
Час публікації: 17 березня 2023 р