Gràcies per visitar Nature.com.Esteu utilitzant una versió del navegador amb suport CSS limitat.Per obtenir la millor experiència, us recomanem que utilitzeu un navegador actualitzat (o desactiveu el mode de compatibilitat a Internet Explorer).A més, per garantir un suport permanent, mostrem el lloc sense estils ni JavaScript.
Controls lliscants que mostren tres articles per diapositiva.Utilitzeu els botons enrere i següent per moure's per les diapositives, o els botons del controlador de diapositives al final per moure's per cada diapositiva.
Tub enrotllat d'acer inoxidable 304 de 10 * 1 mm a la Xina
Mida: 3/4 polzada, 1/2 polzada, 1 polzada, 3 polzades, 2 polzades
Longitud del tub de la unitat: 6 metres
Qualitat d'acer: 201, 304 i 316
Grau: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,
Material: ACER INOXIDABLE
Condició: Nou
Bobina de tub d'acer inoxidable
Mida: 3/4 polzada, 1/2 polzada, 1 polzada, 3 polzades, 2 polzades
Longitud del tub de la unitat: 6 metres
Qualitat d'acer: 201, 304 i 316
Grau: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,
Material: ACER INOXIDABLE
Condició: Nou
Els nanofluids covalents i no covalents es van provar en tubs rodons equipats amb insercions de cinta retorçada amb angles d'hèlix de 45 ° i 90 °.El nombre de Reynolds era 7000 ≤ Re ≤ 17000, les propietats termofísiques es van avaluar a 308 K. El model físic es resol numèricament mitjançant un model de viscositat turbulenta de dos paràmetres (turbulència SST k-omega).En el treball es van considerar les concentracions (0,025% en pes, 0,05% en pes i 0,1% en pes) dels nanofluids ZNP-SDBS@DV i ZNP-COOH@DV.Les parets dels tubs retorçats s'escalfen a una temperatura constant de 330 K. En l'estudi actual es van considerar sis paràmetres: temperatura de sortida, coeficient de transferència de calor, nombre mitjà de Nusselt, coeficient de fricció, pèrdua de pressió i criteris d'avaluació del rendiment.En ambdós casos (angle d'hèlix de 45 ° i 90 °), el nanofluid ZNP-SDBS@DV va mostrar característiques termohidràuliques més altes que ZNP-COOH@DV, i va augmentar amb l'augment de la fracció de massa, per exemple, 0,025 pes.i 0,05 pes.és 1,19.% i 1,26 – 0,1 % en pes.En ambdós casos (angle d'hèlix 45° i 90°), els valors de les característiques termodinàmiques quan s'utilitza GNP-COOH@DW són 1,02 per 0,025% en pes, 1,05 per 0,05% en pes.i 1,02 per al 0,1% en pes.
L'intercanviador de calor és un dispositiu termodinàmic 1 utilitzat per transferir calor durant les operacions de refrigeració i calefacció.Les propietats termohidràuliques de l'intercanviador de calor milloren el coeficient de transferència de calor i redueixen la resistència del fluid de treball.S'han desenvolupat diversos mètodes per millorar la transferència de calor, inclosos els potenciadors de la turbulència2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 i els nanofluids12,13,14,15.La inserció de cinta retorçada és un dels mètodes més reeixits per millorar la transferència de calor als intercanviadors de calor per la seva facilitat de manteniment i el seu baix cost7,16.
En una sèrie d'estudis experimentals i computacionals, es van estudiar les propietats hidrotermals de mescles de nanofluids i intercanviadors de calor amb insercions de cinta retorçada.En un treball experimental, es van estudiar les propietats hidrotermals de tres nanofluids metàl·lics diferents (Ag@DW, Fe@DW i Cu@DW) en un intercanviador de calor de cinta retorçada agulla (STT)17.En comparació amb la canonada base, el coeficient de transferència de calor de STT es millora un 11% i un 67%.El disseny SST és el millor des d'un punt de vista econòmic en termes d'eficiència amb el paràmetre α = β = 0,33.A més, es va observar un augment del 18,2% en n amb Ag@DW, tot i que l'augment màxim de la pèrdua de pressió va ser només del 8,5%.Els processos físics de transferència de calor i pèrdua de pressió en canonades concèntriques amb i sense turbuladors en espiral es van estudiar mitjançant fluxos turbulents de nanofluid Al2O3@DW amb convecció forçada.El nombre màxim mitjà de Nusselt (Nuavg) i la pèrdua de pressió s'observen a Re = 20.000 quan el pas de la bobina = 25 mm i Al2O3@DW nanofluid 1,6 vol.%.També s'han realitzat estudis de laboratori per estudiar les característiques de transferència de calor i pèrdua de pressió dels nanofluids d'òxid de grafè (GO@DW) que flueixen a través de tubs gairebé circulars amb insercions de WC.Els resultats van mostrar que 0,12% vol-GO@DW va augmentar el coeficient de transferència de calor convectiva en un 77%.En un altre estudi experimental, es van desenvolupar nanofluids (TiO2@DW) per estudiar les característiques termohidràuliques dels tubs amb clotets equipats amb insercions de cinta retorçada20.L'eficiència hidrotèrmica màxima d'1,258 es va aconseguir utilitzant 0,15 vol%-TiO2@DW incrustat en eixos inclinats de 45 ° amb un factor de gir de 3,0.Els models de simulació monofàsics i bifàsics (híbrids) tenen en compte el flux i la transferència de calor dels nanofluids CuO@DW a diverses concentracions de sòlids (1-4% vol.%)21.L'eficiència tèrmica màxima d'un tub inserit amb una cinta retorçada és de 2,18, i un tub inserit amb dues cintes retorçades en les mateixes condicions és de 2,04 (model bifàsic, Re = 36.000 i 4 vol.%).S'ha estudiat el flux de nanofluids turbulents no newtonià de carboximetil cel·lulosa (CMC) i òxid de coure (CuO) en canonades principals i canonades amb insercions retorçades.Nuavg mostra una millora del 16,1% (per a la canonada principal) i del 60% (per a la canonada enrotllada amb una relació de (H/D = 5)).En general, una relació de torsió a cinta més baixa dóna com a resultat un coeficient de fricció més alt.En un estudi experimental, es va estudiar l'efecte de les canonades amb una cinta retorçada (TT) i bobines (VC) sobre les propietats de la transferència de calor i el coeficient de fricció mitjançant nanofluids CuO@DW.Utilitzant 0,3 vol.%-CuO@DW a Re = 20.000 permet augmentar la transferència de calor a la canonada VK-2 fins a un valor màxim del 44,45%.A més, quan s'utilitza un cable de parell trenat i una inserció de bobina en les mateixes condicions de límit, el coeficient de fricció augmenta en factors d'1,17 i 1,19 en comparació amb DW.En general, l'eficiència tèrmica dels nanofluids inserits en bobines és millor que la dels nanofluids inserits en cables trenats.Es va estudiar la característica volumètrica d'un flux de nanofluids turbulent (MWCNT@DW) dins d'un tub horitzontal inserit en un cable espiral.Els paràmetres de rendiment tèrmic van ser > 1 per a tots els casos, cosa que indica que la combinació de nanofluídics amb la inserció de la bobina millora la transferència de calor sense consumir potència de la bomba.Resum: s'han estudiat les característiques hidrotèrmiques d'un intercanviador de calor de dos tubs amb diverses insercions fetes d'una cinta en forma de V retorçada i trenada modificada (VcTT) en condicions d'un flux turbulent del nanofluid Al2O3 + TiO2@DW.En comparació amb DW en tubs base, Nuavg té una millora significativa del 132% i un coeficient de fricció de fins al 55%.A més, es va parlar de l'eficiència energètica del nanocompost Al2O3+TiO2@DW en un intercanviador de calor de dos tubs26.En el seu estudi, van trobar que l'ús d'Al2O3 + TiO2@DW i TT millorava l'eficiència de l'exergia en comparació amb DW.En intercanviadors de calor tubulars concèntrics amb turbuladors VcTT, Singh i Sarkar27 van utilitzar materials de canvi de fase (PCM), nanofluids únics/nanocomposites dispersos (Al2O3@DW amb PCM i Al2O3 + PCM).Van informar que la transferència de calor i la pèrdua de pressió augmenten a mesura que disminueix el coeficient de gir i augmenta la concentració de nanopartícules.Un factor de profunditat d'osca en V més gran o un factor d'amplada més petit pot proporcionar una major transferència de calor i pèrdua de pressió.A més, s'ha utilitzat grafè-platí (Gr-Pt) per investigar la calor, la fricció i la taxa de generació d'entropia global en tubs amb insercions 2-TT28.El seu estudi va demostrar que un percentatge més petit de (Gr-Pt) va reduir significativament la generació d'entropia de calor en comparació amb un desenvolupament d'entropia de fricció relativament més alt.Els nanofluids barrejats d'Al2O3@MgO i WC cònic es poden considerar una bona barreja, ja que una relació augmentada (h/Δp) pot millorar el rendiment hidrotèrmic d'un intercanviador de calor de dos tubs 29 .S'utilitza un model numèric per avaluar l'estalvi d'energia i el rendiment ambiental dels intercanviadors de calor amb diversos nanofluids híbrids de tres parts (THNF) (Al2O3 + grafè + MWCNT) suspesos a DW30.A causa dels seus criteris d'avaluació de rendiment (PEC) en el rang d'1,42-2,35, es requereix una combinació d'insert turbulitzador retorçat deprimit (DTTI) i (Al2O3 + grafè + MWCNT).
Fins ara, s'ha prestat poca atenció al paper de la funcionalització covalent i no covalent en el flux hidrodinàmic dels fluids tèrmics.L'objectiu específic d'aquest estudi va ser comparar les característiques tèrmico-hidràuliques dels nanofluids (ZNP-SDBS@DV) i (ZNP-COOH@DV) en insercions de cinta retorçada amb angles d'hèlix de 45° i 90°.Les propietats termofísiques es van mesurar a Estany = 308 K. En aquest cas, es van tenir en compte tres fraccions de massa en el procés de comparació, com ara (0,025% en pes, 0,05% en pes i 0,1% en pes).La transferència d'esforç tallant en el model de flux turbulent 3D (SST k-ω) s'utilitza per resoldre les característiques termohidràuliques.Així, aquest estudi contribueix de manera significativa a l'estudi de les propietats positives (transferència de calor) i negatives (caiguda de pressió en la fricció), demostrant les característiques termohidràuliques i l'optimització dels fluids de treball reals en aquests sistemes d'enginyeria.
La configuració bàsica és una canonada llisa (L = 900 mm i Dh = 20 mm).Dimensions de la cinta retorçada inserida (longitud = 20 mm, gruix = 0,5 mm, perfil = 30 mm).En aquest cas, la longitud, l'amplada i el traç del perfil espiral eren de 20 mm, 0,5 mm i 30 mm, respectivament.Les cintes retorçades estan inclinades a 45° i 90°.Diversos fluids de treball com ara DW, nanofluids no covalents (GNF-SDBS@DW) i nanofluids covalents (GNF-COOH@DW) a Tin = 308 K, tres concentracions de massa diferents i diferents nombres de Reynolds.Les proves es van realitzar a l'interior de l'intercanviador de calor.La paret exterior del tub espiral es va escalfar a una temperatura superficial constant de 330 K per provar els paràmetres per millorar la transferència de calor.
A la fig.La figura 1 mostra esquemàticament un tub d'inserció de cinta retorçada amb condicions de límit aplicables i àrea de malla.Com s'ha esmentat anteriorment, les condicions límit de velocitat i pressió s'apliquen a les parts d'entrada i sortida de l'hèlix.A una temperatura superficial constant, s'imposa una condició antilliscant a la paret de la canonada.La simulació numèrica actual utilitza una solució basada en pressió.Al mateix temps, s'utilitza un programa (ANSYS FLUENT 2020R1) per convertir una equació diferencial parcial (PDE) en un sistema d'equacions algebraiques mitjançant el mètode de volum finit (FMM).El mètode SIMPLE de segon ordre (mètode semi-implícit per a equacions seqüencials dependents de la pressió) està relacionat amb la velocitat-pressió.Cal subratllar que la convergència dels residus per a les equacions de massa, moment i energia és inferior a 103 i 106, respectivament.
p Diagrama de dominis físics i computacionals: (a) angle de l'hèlix 90°, (b) angle de l'hèlix 45°, (c) sense fulla helicoïdal.
S'utilitza un model homogeni per explicar les propietats dels nanofluids.En incorporar nanomaterials al fluid base (DW), es forma un fluid continu amb excel·lents propietats tèrmiques.En aquest sentit, la temperatura i la velocitat del fluid base i del nanomaterial tenen el mateix valor.A causa de les teories i supòsits anteriors, el flux monofàsic eficient funciona en aquest estudi.Diversos estudis han demostrat l'eficàcia i l'aplicabilitat de les tècniques monofàsiques per al flux nanofluídic31,32.
El flux de nanofluids ha de ser turbulent newtonià, incompressible i estacionari.El treball de compressió i l'escalfament viscós són irrellevants en aquest estudi.A més, no es té en compte el gruix de les parets interiors i exteriors de la canonada.Per tant, les equacions de conservació de massa, moment i energia que defineixen el model tèrmic es poden expressar de la següent manera:
on \(\overrightarrow{V}\) és el vector de velocitat mitjana, Keff = K + Kt és la conductivitat tèrmica efectiva dels nanofluids covalents i no covalents, i ε és la velocitat de dissipació d'energia.Les propietats termofísiques efectives dels nanofluids, incloses la densitat (ρ), la viscositat (μ), la capacitat tèrmica específica (Cp) i la conductivitat tèrmica (k), que es mostren a la taula, es van mesurar durant un estudi experimental a una temperatura de 308 K1 quan s'utilitzaven. en aquests simuladors.
Es van realitzar simulacions numèriques de flux de nanofluids turbulents en tubs convencionals i TT amb números de Reynolds 7000 ≤ Re ≤ 17000. Aquestes simulacions i coeficients de transferència de calor convectiva es van analitzar mitjançant el model de turbulència κ-ω de Mentor de transferència d'esforç de cisalla (SST) promediat sobre la turbulència de Reynold. model Navier-Stokes, utilitzat habitualment en la investigació aerodinàmica.A més, el model funciona sense funció de paret i és precís prop de les parets 35,36.(SST) Les equacions que governen κ-ω del model de turbulència són les següents:
on \(S\) és el valor de la velocitat de deformació, i \(y\) és la distància a la superfície adjacent.Mentrestant, \({\alpha}_{1}\), \({\alpha}_{2}\), \({\beta}_{1}\), \({\beta}_{ 2 }\), \({\beta}^{*}\), \({\sigma}_{{k}_{1}}\), \({\sigma}_{{k}_{ 2 }}\), \({\sigma}_{{\omega}_{1}}\) i \({\sigma}_{{\omega}_{2}}\) denoten totes les constants del model.F1 i F2 són funcions mixtes.Nota: F1 = 1 a la capa límit, 0 al flux entrant.
Els paràmetres d'avaluació del rendiment s'utilitzen per estudiar la transferència de calor convectiva turbulent, el flux de nanofluids covalents i no covalents, per exemple31:
En aquest context, (\(\rho\)), (\(v\)), (\({D}_{h}\)) i (\(\mu\)) s'utilitzen per a la densitat, la velocitat del fluid , diàmetre hidràulic i viscositat dinàmica.(\({C}_{p}\, \mathrm{u}\, k\)) - capacitat tèrmica específica i conductivitat tèrmica del fluid que flueix.A més, (\(\dot{m}\)) es refereix al flux de massa, i (\({T}_{out}-{T}_{in}\)) es refereix a la diferència de temperatura d'entrada i sortida.(NFs) es refereix a nanofluids covalents i no covalents, i (DW) es refereix a aigua destil·lada (fluid base).\({A}_{s} = \pi DL\), \({\overline{T}}_{f}=\frac{\left({T}_{out}-{T}_{in }\right)}{2}\) i \({\overline{T}}_{w}=\sum \frac{{T}_{w}}{n}\).
Les propietats termofísiques del fluid base (DW), el nanofluid no covalent (GNF-SDBS@DW) i el nanofluid covalent (GNF-COOH@DW) es van extreure de la literatura publicada (estudis experimentals), Sn = 308 K, com es mostra a la Taula 134. En un experiment típic per obtenir un nanofluid no covalent (GNP-SDBS@DW) amb percentatges de massa coneguts, es van pesar inicialment determinats grams de PNB primaris en una balança digital.La relació de pes de SDBS/PNB natiu és (0,5:1) ponderada en DW.En aquest cas, es van sintetitzar nanofluids covalents (COOH-GNP@DW) afegint grups carboxil a la superfície del GNP utilitzant un medi fortament àcid amb una relació de volum (1:3) de HNO3 i H2SO4.Els nanofluids covalents i no covalents es van suspendre en DW a tres percentatges de pes diferents, com ara 0,025% en pes, 0,05% en pes.i el 0,1% de la massa.
Es van realitzar proves d'independència de la malla en quatre dominis computacionals diferents per garantir que la mida de la malla no afecti la simulació.En el cas d'un tub de torsió de 45°, el nombre d'unitats amb mida d'unitat 1,75 mm és 249.033, el nombre d'unitats amb mida d'unitat 2 mm és 307.969, el nombre d'unitats amb mida d'unitat 2,25 mm és 421.406 i el nombre d'unitats amb unitat de mida 2,5 mm 564 940 respectivament.A més, en l'exemple d'una canonada retorçada de 90°, el nombre d'elements amb una mida d'element de 1,75 mm és de 245.531, el nombre d'elements amb una mida d'element de 2 mm és de 311.584, el nombre d'elements amb una mida d'element de 2,25 mm és 422.708 i el nombre d'elements amb una mida d'element de 2,5 mm és respectivament 573.826.La precisió de les lectures de propietats tèrmiques com ara (Tout, htc i Nuavg) augmenta a mesura que disminueix el nombre d'elements.Al mateix temps, la precisió dels valors del coeficient de fricció i la caiguda de pressió va mostrar un comportament completament diferent (Fig. 2).La quadrícula (2) es va utilitzar com a àrea de quadrícula principal per avaluar les característiques termohidràuliques en el cas simulat.
Prova el rendiment de la transferència de calor i la caiguda de pressió independentment de la malla mitjançant parells de tubs DW retorçats a 45 ° i 90 °.
Els resultats numèrics actuals s'han validat per al rendiment de la transferència de calor i el coeficient de fricció mitjançant correlacions empíriques i equacions conegudes com Dittus-Belter, Petukhov, Gnelinsky, Notter-Rouse i Blasius.La comparació es va dur a terme amb la condició 7000≤Re≤17000.Segons la fig.A la figura 3, els errors mitjans i màxims entre els resultats de la simulació i l'equació de transferència de calor són 4,050 i 5,490% (Dittus-Belter), 9,736 i 11,33% (Petukhov), 4,007 i 7,483% (Gnelinsky) i 3,883% i 4,937% (4. Nott-Belter).rosa).En aquest cas, els errors mitjans i màxims entre els resultats de la simulació i l'equació del coeficient de fricció són 7,346% i 8,039% (Blasius) i 8,117% i 9,002% (Petukhov), respectivament.
Transferència de calor i propietats hidrodinàmiques de DW a diversos nombres de Reynolds mitjançant càlculs numèrics i correlacions empíriques.
Aquesta secció analitza les propietats tèrmiques dels nanofluids aquosos no covalents (LNP-SDBS) i covalents (LNP-COOH) en tres fraccions de massa diferents i nombres de Reynolds com a mitjanes en relació amb el fluid base (DW).Es comenten dues geometries d'intercanviadors de calor de corretja espiral (angle d'hèlix 45° i 90°) per a 7000 ≤ Re ≤ 17000. A la fig.La figura 4 mostra la temperatura mitjana a la sortida del nanofluid al fluid base (DW) (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{ DW } } \) ) a (0,025% en pes, 0,05% en pes i 0,1% en pes).(\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) sempre és inferior a 1, el que significa que la temperatura de sortida Els nanofluids no covalents (VNP-SDBS) i covalents (VNP-COOH) estan per sota de la temperatura a la sortida del líquid base.Les reduccions més baixes i més altes van ser de 0,1% en pes de COOH@GNPs i 0,1% en pes de SDBS@GNPs, respectivament.Aquest fenomen es deu a un augment del nombre de Reynolds a una fracció de massa constant, que comporta un canvi en les propietats del nanofluid (és a dir, la densitat i la viscositat dinàmica).
Les figures 5 i 6 mostren les característiques mitjanes de transferència de calor del nanofluid al fluid de base (DW) a (0,025% en pes, 0,05% en pes i 0,1% en pes).Les propietats mitjanes de transferència de calor sempre són superiors a 1, el que significa que les propietats de transferència de calor dels nanofluids no covalents (LNP-SDBS) i covalents (LNP-COOH) es milloren en comparació amb el fluid base.El 0,1% en pes de COOH@GNP i el 0,1% en pes de SDBS@GNP van aconseguir el guany més baix i més alt, respectivament.Quan el nombre de Reynolds augmenta a causa d'una major mescla de fluids i turbulència a la canonada 1, el rendiment de la transferència de calor millora.Els fluids a través de petits buits assoleixen velocitats més altes, donant lloc a una capa límit velocitat/calor més fina, que augmenta la velocitat de transferència de calor.Afegir més nanopartícules al fluid base pot tenir resultats tant positius com negatius.Els efectes beneficiosos inclouen un augment de col·lisions de nanopartícules, requisits favorables de conductivitat tèrmica del fluid i una millora de la transferència de calor.
Coeficient de transferència de calor del nanofluid al fluid base en funció del nombre de Reynolds per a tubs de 45° i 90°.
Al mateix temps, un efecte negatiu és un augment de la viscositat dinàmica del nanofluid, que redueix la mobilitat del nanofluid, reduint així el nombre mitjà de Nusselt (Nuavg).L'augment de la conductivitat tèrmica dels nanofluids (ZNP-SDBS@DW) i (ZNP-COOH@DW) hauria de ser degut al moviment brownià i a la microconvecció de les nanopartícules de grafè suspeses a DW37.La conductivitat tèrmica del nanofluid (ZNP-COOH@DV) és superior a la del nanofluid (ZNP-SDBS@DV) i de l'aigua destil·lada.L'addició de més nanomaterials al fluid base augmenta la seva conductivitat tèrmica (taula 1)38.
La figura 7 il·lustra el coeficient mitjà de fricció dels nanofluids amb el fluid base (DW) (f(NFs)/f(DW)) en percentatge en massa (0,025%, 0,05% i 0,1%).El coeficient de fricció mitjà sempre és ≈1, el que significa que els nanofluids no covalents (GNF-SDBS@DW) i covalents (GNF-COOH@DW) tenen el mateix coeficient de fricció que el fluid base.Un intercanviador de calor amb menys espai crea més obstrucció del flux i augmenta la fricció del flux1.Bàsicament, el coeficient de fricció augmenta lleugerament amb l'augment de la fracció de massa del nanofluid.Les pèrdues per fricció més altes són causades per l'augment de la viscositat dinàmica del nanofluid i l'augment de l'esforç de cisalla a la superfície amb un percentatge de massa més elevat de nanografè al fluid base.La taula (1) mostra que la viscositat dinàmica del nanofluid (ZNP-SDBS@DV) és superior a la del nanofluid (ZNP-COOH@DV) al mateix percentatge de pes, que s'associa amb l'addició d'efectes superficials.agents actius en un nanofluid no covalent.
A la fig.La figura 8 mostra el nanofluid en comparació amb el fluid base (DW) (\(\frac{{\Delta P}_{NFs}}{{\Delta P}_{DW}}\)) a (0,025%, 0,05% i 0,1% ).El nanofluid no covalent (GNPs-SDBS@DW) va mostrar una pèrdua de pressió mitjana més alta i amb un augment del percentatge de massa fins al 2,04% per a un 0,025% en pes, un 2,46% per a un 0,05% en pes.i 3,44% per al 0,1% en pes.amb ampliació de caixa (angle d'hèlix 45° i 90°).Mentrestant, el nanofluid (GNPs-COOH@DW) va mostrar una menor pèrdua de pressió mitjana, augmentant des de l'1,31% al 0,025% en pes.fins a l'1,65% al 0,05% en pes.La pèrdua de pressió mitjana de 0,05% en pes de COOH@NP i 0,1% en pes de COOH@NP és de l'1,65%.Com es pot veure, la caiguda de pressió augmenta amb l'augment del nombre Re en tots els casos.Una caiguda de pressió augmentada a valors elevats de Re s'indica per una dependència directa del cabal de volum.Per tant, un nombre Re més alt al tub comporta una caiguda de pressió més alta, que requereix un augment de la potència de la bomba39,40.A més, les pèrdues de pressió són més elevades a causa de la major intensitat de remolins i turbulències generades per la superfície més gran, la qual cosa augmenta la interacció de les forces de pressió i inèrcia a la capa límit1.
En general, els criteris d'avaluació del rendiment (PEC) per a nanofluids no covalents (VNP-SDBS@DW) i covalents (VNP-COOH@DW) es mostren a les Figs.9. Nanofluid (ZNP-SDBS@DV) va mostrar valors PEC més alts que (ZNP-COOH@DV) en ambdós casos (angle d'hèlix 45° i 90°) i es va millorar augmentant la fracció de massa, per exemple, 0,025 pes %és 1,17, 0,05% en pes és 1,19 i 0,1% en pes és 1,26.Mentrestant, els valors de PEC utilitzant nanofluids (GNPs-COOH@DW) van ser 1,02 per a 0,025% en pes, 1,05 per 0,05% en pes, 1,05 per 0,1% en pes.en ambdós casos (angle de l'hèlix 45° i 90°).1.02.Com a regla general, amb un augment del nombre de Reynolds, l'eficiència termohidràulica disminueix significativament.A mesura que augmenta el nombre de Reynolds, la disminució del coeficient d'eficiència termohidràulica s'associa sistemàticament amb un augment de (NuNFs/NuDW) i una disminució de (fNFs/fDW).
Propietats hidrotèrmiques dels nanofluids respecte als fluids base en funció dels nombres de Reynolds per a tubs amb angles de 45° i 90°.
Aquesta secció analitza les propietats tèrmiques dels nanofluids de l'aigua (DW), no covalents (VNP-SDBS@DW) i covalents (VNP-COOH@DW) a tres concentracions de massa diferents i nombres de Reynolds.Es van considerar dues geometries d'intercanviador de calor de corretja enrotllada en el rang 7000 ≤ Re ≤ 17000 respecte a les canonades convencionals (angles d'hèlix 45 ° i 90 °) per avaluar el rendiment tèrmico-hidràulic mitjà.A la fig.La figura 10 mostra la temperatura de l'aigua i els nanofluids a la sortida com a mitjana utilitzant (angle d'hèlix 45° i 90°) per a una canonada comuna (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{ {T} _{out}}_{Regular}}\)).Els nanofluids no covalents (GNP-SDBS@DW) i covalents (GNP-COOH@DW) tenen tres fraccions de pes diferents com ara 0,025% en pes, 0,05% en pes i 0,1% en pes.Com es mostra a la fig.11, el valor mitjà de la temperatura de sortida (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{{T}_{out}}_{Plain}}\)) > 1, indicant que (angle d'hèlix de 45° i 90°) la temperatura a la sortida de l'intercanviador de calor és més significativa que la d'una canonada convencional, a causa de la major intensitat de la turbulència i la millor barreja del líquid.A més, la temperatura a la sortida dels nanofluids DW, no covalents i covalents va disminuir amb l'augment del nombre de Reynolds.El fluid base (DW) té la temperatura mitjana de sortida més alta.Mentrestant, el valor més baix es refereix al 0,1% en pes de SDBS@GNPs.Els nanofluids no covalents (GNPs-SDBS@DW) van mostrar una temperatura mitjana de sortida més baixa en comparació amb els nanofluids covalents (GNPs-COOH@DW).Com que la cinta retorçada fa que el camp de flux sigui més barrejat, el flux de calor proper a la paret pot passar més fàcilment a través del líquid, augmentant la temperatura general.Una menor relació de gir a la cinta dóna com a resultat una millor penetració i, per tant, una millor transferència de calor.D'altra banda, es pot observar que la cinta enrotllada manté una temperatura més baixa contra la paret, la qual cosa al seu torn augmenta el Nuavg.Per a insercions de cinta retorçada, un valor de Nuavg més alt indica una transferència de calor convectiva millorada dins del tub22.A causa de l'augment del camí del flux i de la mescla i turbulència addicionals, el temps de residència augmenta, donant lloc a un augment de la temperatura del líquid a la sortida41.
Nombres de Reynolds de diversos nanofluids en relació a la temperatura de sortida dels tubs convencionals (angles d'hèlix de 45° i 90°).
Coeficients de transferència de calor (angle d'hèlix de 45 ° i 90 °) en comparació amb els nombres de Reynolds per a diversos nanofluids en comparació amb els tubs convencionals.
El mecanisme principal de transferència de calor de cinta enrotllada millorada és el següent: 1. La reducció del diàmetre hidràulic del tub d'intercanvi de calor comporta un augment de la velocitat i la curvatura del flux, que al seu torn augmenta l'esforç de cisalla a la paret i afavoreix el moviment secundari.2. A causa del bloqueig de la cinta de bobinat, la velocitat a la paret de la canonada augmenta i el gruix de la capa límit disminueix.3. El flux espiral darrere del cinturó retorçat condueix a un augment de la velocitat.4. Els vòrtexs induïts milloren la barreja de fluids entre les regions central i propera a la paret del flux42.A la fig.11 i fig.La figura 12 mostra les propietats de transferència de calor de DW i nanofluids, per exemple (coeficient de transferència de calor i nombre de Nusselt mitjà) com a mitjanes utilitzant tubs d'inserció de cinta retorçada en comparació amb tubs convencionals.Els nanofluids no covalents (GNP-SDBS@DW) i covalents (GNP-COOH@DW) tenen tres fraccions de pes diferents com ara 0,025% en pes, 0,05% en pes i 0,1% en pes.En ambdós intercanviadors de calor (angle d'hèlix de 45 ° i 90 °) el rendiment mitjà de transferència de calor és > 1, cosa que indica una millora en el coeficient de transferència de calor i el nombre mitjà de Nusselt amb tubs enrotllats en comparació amb els tubs convencionals.Els nanofluids no covalents (GNPs-SDBS@DW) van mostrar una millora mitjana de transferència de calor més alta que els nanofluids covalents (GNPs-COOH@DW).A Re = 900, la millora del 0,1% en pes en el rendiment de la transferència de calor -SDBS@GNPs per als dos intercanviadors de calor (angle d'hèlix de 45 ° i 90 °) va ser la més alta amb un valor d'1,90.Això significa que l'efecte TP uniforme és més important a velocitats de fluid més baixes (número de Reynolds)43 i augmentant la intensitat de la turbulència.A causa de la introducció de múltiples vòrtex, el coeficient de transferència de calor i el nombre mitjà de tubs Nusselt de tubs TT són més alts que els tubs convencionals, donant lloc a una capa límit més prima.La presència de HP augmenta la intensitat de la turbulència, la barreja dels fluxos de fluids de treball i la transferència de calor millorada en comparació amb les canonades base (sense inserir una cinta retorçada)21.
Nombre mitjà de Nusselt (angle de l'hèlix 45° i 90°) versus nombre de Reynolds per a diversos nanofluids en comparació amb els tubs convencionals.
Les figures 13 i 14 mostren el coeficient mitjà de fricció (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain}}\)) i la pèrdua de pressió (\(\frac{{\Delta P} _ {Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\}} uns 45° i 90° per a canonades convencionals que utilitzen nanofluids DW, (GNPs-SDBS@DW) i (GNPs-COOH@DW) l'intercanviador d'ions conté ( 0,025 % en pes, 0,05 % en pes i 0,1 % en pes). {{f}_{Plain} }\)) i pèrdua de pressió (\(\frac{{ \Delta P}_{Twisted}}{{\Delta P }_{Plain}}\}) disminueixen. En els casos, el coeficient de fricció i la pèrdua de pressió són més alts en nombres de Reynolds més baixos El coeficient de fricció mitjà i la pèrdua de pressió estan entre 3,78 i 3,12 El coeficient de fricció mitjà i la pèrdua de pressió mostren que (hèlix de 45° angle i 90°) l'intercanviador de calor costa tres vegades més que les canonades convencionals.A més, quan el fluid de treball flueix a una velocitat més alta, el coeficient de fricció disminueix.El problema sorgeix perquè a mesura que augmenta el nombre de Reynolds, el gruix de la capa límit disminueix, la qual cosa comporta una disminució de l'efecte de la viscositat dinàmica sobre la zona afectada, una disminució dels gradients de velocitat i esforços de cisalla i, en conseqüència, una disminució del coeficient de fricció21.L'efecte de bloqueig millorat a causa de la presència de TT i l'augment del remolí produeix pèrdues de pressió significativament més altes per a canonades TT heterogènies que per a canonades base.A més, tant per a la canonada base com per a la canonada TT, es pot observar que la caiguda de pressió augmenta amb la velocitat del fluid de treball43.
Coeficient de fricció (angle d'hèlix de 45° i 90°) en comparació amb el nombre de Reynolds per a diversos nanofluids en comparació amb els tubs convencionals.
Pèrdua de pressió (angle d'hèlix de 45 ° i 90 °) en funció del nombre de Reynolds per a diversos nanofluids en relació amb un tub convencional.
En resum, la figura 15 mostra els criteris d'avaluació del rendiment (PEC) per als intercanviadors de calor amb angles de 45° i 90° en comparació amb els tubs simples (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}} \ ) ) en (0,025% en pes, 0,05% en pes i 0,1% en pes) utilitzant nanofluids DV, (VNP-SDBS@DV) i covalents (VNP-COOH@DV).El valor (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) > 1 en ambdós casos (angle d'hèlix de 45° i 90°) a l'intercanviador de calor.A més, (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) arriba al seu millor valor a Re = 11.000.L'intercanviador de calor de 90° mostra un lleuger augment de (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) en comparació amb un intercanviador de calor de 45°., A Re = 11.000 0,1% en pes-GNPs@SDBS representa valors més alts (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\))), per exemple, 1,25 per a la cantonada de l'intercanviador de calor de 45° i 1,27 per a intercanviador de calor de cantonada de 90°.És superior a un en tots els percentatges de fracció de massa, la qual cosa indica que les canonades amb insercions de cinta retorçada són superiors a les canonades convencionals.En particular, la millora de la transferència de calor proporcionada per les insercions de la cinta va donar lloc a un augment significatiu de les pèrdues per fricció22.
Criteris d'eficiència per al nombre de Reynolds de diversos nanofluids en relació als tubs convencionals (angle d'hèlix de 45° i 90°).
L'apèndix A mostra les línies aerodinàmiques per als intercanviadors de calor de 45° i 90° a Re = 7000 utilitzant DW, 0,1% en pes-GNP-SDBS@DW i 0,1% en pes-GNP-COOH@DW.Les línies aerodinàmiques en el pla transversal són la característica més sorprenent de l'efecte de les insercions de cintes retorçades sobre el flux principal.L'ús d'intercanviadors de calor de 45° i 90° mostra que la velocitat a la regió propera a la paret és aproximadament la mateixa.Mentrestant, l'apèndix B mostra els contorns de velocitat dels intercanviadors de calor de 45° i 90° a Re = 7000 utilitzant DW, 0,1% en pes-GNP-SDBS@DW i 0,1% en pes-GNP-COOH@DW.Els bucles de velocitat es troben en tres ubicacions diferents (talles), per exemple, Plain-1 (P1 = -30 mm), Plain-4 (P4 = 60 mm) i Plain-7 (P7 = 150 mm).La velocitat del flux prop de la paret de la canonada és més baixa i la velocitat del fluid augmenta cap al centre de la canonada.A més, en passar pel conducte d'aire, augmenta l'àrea de velocitats baixes prop de la paret.Això es deu al creixement de la capa límit hidrodinàmica, que augmenta el gruix de la regió de baixa velocitat prop de la paret.A més, augmentar el nombre de Reynolds augmenta el nivell de velocitat global en totes les seccions transversals, reduint així el gruix de la regió de baixa velocitat del canal39.
Es van avaluar nanofulls de grafè funcionalitzats de manera covalent i no covalent en insercions de cinta retorçada amb angles d'hèlix de 45 ° i 90 °.L'intercanviador de calor es resol numèricament utilitzant el model de turbulència SST k-omega a 7000 ≤ Re ≤ 17000. Les propietats termofísiques es calculen a Tin = 308 K. Escalfeu simultàniament la paret del tub retorçat a una temperatura constant de 330 K. COOH@DV) es va diluir en tres quantitats en massa, per exemple (0,025% en pes, 0,05% en pes i 0,1% en pes).L'estudi actual va considerar sis factors principals: temperatura de sortida, coeficient de transferència de calor, nombre mitjà de Nusselt, coeficient de fricció, pèrdua de pressió i criteris d'avaluació del rendiment.Aquestes són les principals troballes:
La temperatura mitjana de sortida (\({{T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) sempre és inferior a 1, el que significa que no propagada La temperatura de sortida dels nanofluids de valència (ZNP-SDBS@DV) i covalent (ZNP-COOH@DV) és inferior a la del líquid base.Mentrestant, el valor mitjà de la temperatura de sortida (\({{T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\)) > 1, que indica al fet que (angle d'hèlix de 45° i 90°) la temperatura de sortida és superior a la dels tubs convencionals.
En ambdós casos, els valors mitjans de les propietats de transferència de calor (nanofluid/fluid base) i (tub retorçat/tub normal) sempre mostren >1.Els nanofluids no covalents (GNPs-SDBS@DW) van mostrar un augment mitjà més elevat de la transferència de calor, corresponent als nanofluids covalents (GNPs-COOH@DW).
El coeficient de fricció mitjà (\({f}_{Nanofluids}/{f}_{Basefluid}\)) dels nanofluids no covalents (VNP-SDBS@DW) i covalents (VNP-COOH@DW) és sempre ≈1 .fricció de nanofluids no covalents (ZNP-SDBS@DV) i covalents (ZNP-COOH@DV) (\({f}_{Twisted}/{f}_{Plain}\)) per sempre > 3.
En ambdós casos (angle d'hèlix de 45° i 90°), els nanofluids (GNPs-SDBS@DW) van mostrar més alts (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) 0,025 % en pes per al 2,04%, 0,05% en pes per al 2,46% i 0,1% en pes per al 3,44%.Mentrestant, els nanofluids (GNPs-COOH@DW) van mostrar menys (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) de l'1,31% per al 0,025% en pes a l'1,65% és 0,05 % en pes.A més, la pèrdua de pressió mitjana (\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\) de no covalent (GNPs-SDBS@DW) i covalent (GNPs-COOH@DW). ))) nanofluids sempre >3.
En ambdós casos (angles d'hèlix de 45° i 90°), els nanofluids (GNPs-SDBS@DW) van mostrar un valor més alt (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC} _{Basefluid}\)) @DW) , p. ex. 0,025% en pes – 1,17, 0,05% en pes – 1,19, 0,1% en pes – 1,26.En aquest cas, els valors de (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\)) amb nanofluids (GNPs-COOH@DW) són 1,02 per 0,025% en pes, 1,05 per 0 , 05 pes.% i 1,02 és 0,1% en pes.A més, a Re = 11.000, el 0,1% en pes-GNPs@SDBS va mostrar valors més elevats (\({PEC}_{Twisted}/{PEC}_{Plain}\)), com ara 1,25 per a un angle d'hèlix de 45° i angle d'hèlix de 90° 1,27.
Thianpong, C. et al.Optimització polivalent del flux d'aigua/diòxid de titani nanofluid a l'intercanviador de calor, millorat per insercions de cinta retorçada amb ales delta.intern J. Calent.la ciència.172, 107318 (2022).
Langerudi, HG i Jawaerde, C. Estudi experimental del flux de fluids no newtonià en manxes inserides amb cintes retorçades típiques i en forma de V.Heat and Mass Transfer 55, 937–951 (2019).
Dong, X. et al.Estudi experimental de les característiques de transferència de calor i la resistència al flux d'un intercanviador de calor tubular retorçat en espiral [J].Temperatura d'aplicació.projecte.176, 115397 (2020).
Yongsiri, K., Eiamsa-Ard, P., Wongcharee, K. i Eiamsa-Ard, SJCS Millora de la transferència de calor en el flux turbulent del canal amb aletes separadores obliques.recerca d'actualitat.temperatura.projecte.3, 1–10 (2014).
Hora de publicació: 17-mar-2023