Grazas por visitar Nature.com.Estás a usar unha versión do navegador con soporte CSS limitado.Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que utilices un navegador actualizado (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer).Ademais, para garantir a asistencia continua, mostramos o sitio sen estilos e JavaScript.
Control deslizante que mostra tres artigos por diapositiva.Usa os botóns atrás e seguinte para moverte polas diapositivas ou os botóns do controlador de diapositivas ao final para moverte por cada diapositiva.
Tubo enrolado de aceiro inoxidable 304 10*1 mm en China
Tamaño: 3/4 de polgada, 1/2 de polgada, 1 polgada, 3 polgadas, 2 polgadas
Unidade de lonxitude do tubo: 6 metros
Clase de aceiro: 201, 304 e 316
Grao: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,
Material: ACERO INOXIDABLE
Condición: New
Bobina de tubo de aceiro inoxidable
Tamaño: 3/4 de polgada, 1/2 de polgada, 1 polgada, 3 polgadas, 2 polgadas
Unidade de lonxitude do tubo: 6 metros
Clase de aceiro: 201, 304 e 316
Grao: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,
Material: ACERO INOXIDABLE
Condición: New
Probáronse nanofluidos covalentes e non covalentes en tubos redondos equipados con insercións de cinta retorcidas con ángulos de hélice de 45° e 90°.O número de Reynolds foi 7000 ≤ Re ≤ 17000, as propiedades termofísicas avaliáronse a 308 K. O modelo físico resólvese numericamente mediante un modelo de viscosidade turbulenta de dous parámetros (turbulencia SST k-omega).No traballo consideráronse as concentracións (0,025% en peso, 0,05% en peso e 0,1% en peso) dos nanofluidos ZNP-SDBS@DV e ZNP-COOH@DV.As paredes dos tubos retorcidos quéntanse a unha temperatura constante de 330 K. No estudo actual consideráronse seis parámetros: temperatura de saída, coeficiente de transferencia de calor, número medio de Nusselt, coeficiente de rozamento, perda de presión e criterios de avaliación do rendemento.En ambos os casos (ángulo de hélice de 45° e 90°), o nanofluido ZNP-SDBS@DV mostrou características termohidráulicas máis altas que ZNP-COOH@DV, e aumentou co aumento da fracción de masa, por exemplo, 0,025 en peso.e 0,05 peso.é 1,19.% e 1,26 – 0,1 % en peso.En ambos os casos (ángulo de hélice 45 ° e 90 °), os valores das características termodinámicas ao usar GNP-COOH@DW son 1,02 para 0,025% en peso, 1,05 para 0,05% en peso.e 1,02 para o 0,1% en peso.
O intercambiador de calor é un dispositivo termodinámico 1 utilizado para transferir calor durante as operacións de arrefriamento e calefacción.As propiedades térmicas e hidráulicas do intercambiador de calor melloran o coeficiente de transferencia de calor e reducen a resistencia do fluído de traballo.Desenvolvéronse varios métodos para mellorar a transferencia de calor, incluíndo potenciadores de turbulencia2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 e nanofluidos12,13,14,15.A inserción de cinta torcida é un dos métodos máis exitosos para mellorar a transferencia de calor nos intercambiadores de calor debido á súa facilidade de mantemento e ao seu baixo custo7,16.
Nunha serie de estudos experimentais e computacionais, estudáronse as propiedades hidrotermais de mesturas de nanofluidos e intercambiadores de calor con insercións de cinta torcida.Nun traballo experimental, estudáronse as propiedades hidrotermais de tres nanofluidos metálicos diferentes (Ag@DW, Fe@DW e Cu@DW) nun intercambiador de calor de cinta torcida con agulla (STT)17.En comparación co tubo base, o coeficiente de transferencia de calor de STT mellora nun 11% e un 67%.O trazado SST é o mellor dende o punto de vista económico en termos de eficiencia co parámetro α = β = 0,33.Ademais, con Ag@DW observouse un aumento do 18,2% en n, aínda que o aumento máximo da perda de presión foi só do 8,5%.Estudáronse os procesos físicos de transferencia de calor e perda de presión en tubos concéntricos con e sen turbuladores enrolados utilizando fluxos turbulentos de nanofluido Al2O3@DW con convección forzada.O número de Nusselt medio máximo (Nuavg) e a perda de presión obsérvanse en Re = 20.000 cando o paso da bobina = 25 mm e o nanofluido Al2O3@DW 1,6 % vol.Tamén se realizaron estudos de laboratorio para estudar as características de transferencia de calor e perda de presión dos nanofluidos de óxido de grafeno (GO@DW) que flúen a través de tubos case circulares con insercións de WC.Os resultados mostraron que o 0,12% vol-GO@DW aumentou o coeficiente de transferencia de calor convectiva nun 77%.Noutro estudo experimental desenvolvéronse nanofluidos (TiO2@DW) para estudar as características termohidráulicas de tubos con coviñas provistos de insercións de cinta retorcida20.A máxima eficiencia hidrotermal de 1,258 alcanzouse utilizando 0,15% vol de TiO2@DW embebido en eixes inclinados a 45° cun factor de torsión de 3,0.Os modelos de simulación monofásicos e bifásicos (híbridos) teñen en conta o fluxo e a transferencia de calor dos nanofluidos CuO@DW en varias concentracións de sólidos (1–4% vol.%)21.A eficiencia térmica máxima dun tubo inserido cunha cinta retorcida é de 2,18, e un tubo inserido con dúas cintas retorcidas nas mesmas condicións é de 2,04 (modelo bifásico, Re = 36.000 e 4 vol.%).Estudou o fluxo de nanofluidos turbulentos non newtonianos de carboximetil celulosa (CMC) e óxido de cobre (CuO) en tubos principais e tubos con insercións retorcidas.Nuavg mostra unha mellora do 16,1% (para o gasoduto principal) e do 60% (para o gasoduto enrolado cunha relación de (H/D = 5)).Xeralmente, unha menor proporción de torsión a cinta dá lugar a un maior coeficiente de fricción.Nun estudo experimental, estudouse o efecto de tubos con cinta torcida (TT) e bobinas (VC) sobre as propiedades de transferencia de calor e coeficiente de fricción mediante nanofluidos CuO@DW.Usando 0,3 vol.%-CuO@DW en Re = 20.000 permite aumentar a transferencia de calor no tubo VK-2 ata un valor máximo do 44,45%.Ademais, cando se usa un cable de par trenzado e unha inserción de bobina nas mesmas condicións de contorno, o coeficiente de fricción aumenta en factores de 1,17 e 1,19 en comparación co DW.En xeral, a eficiencia térmica dos nanofluidos inseridos en bobinas é mellor que a dos nanofluidos inseridos en fíos trenzados.Estudouse a característica volumétrica dun fluxo de nanofluídos turbulento (MWCNT@DW) dentro dun tubo horizontal inserido nun fío espiral.Os parámetros de rendemento térmico foron > 1 para todos os casos, o que indica que a combinación de nanofluídicos co inserto da bobina mellora a transferencia de calor sen consumir potencia da bomba.Resumo: Estudáronse as características hidrotérmicas dun intercambiador de calor de dous tubos con varias insercións feitas dunha cinta en forma de V retorcida e retorcida modificada (VcTT) en condicións dun fluxo turbulento do nanofluido Al2O3 + TiO2@DW.En comparación co DW nos tubos base, Nuavg ten unha mellora significativa do 132% e un coeficiente de rozamento de ata o 55%.Ademais, comentouse a eficiencia enerxética do nanocomposto Al2O3+TiO2@DW nun intercambiador de calor de dous tubos26.No seu estudo, descubriron que o uso de Al2O3 + TiO2@DW e TT mellorou a eficiencia da exerxía en comparación co DW.En intercambiadores de calor tubulares concéntricos con turbuladores VcTT, Singh e Sarkar27 utilizaron materiais de cambio de fase (PCM), nanofluidos únicos/nanocompostos dispersos (Al2O3@DW con PCM e Al2O3 + PCM).Informaron de que a transferencia de calor e a perda de presión aumentan a medida que diminúe o coeficiente de torsión e aumenta a concentración de nanopartículas.Un factor de profundidade de muesca en V maior ou un factor de ancho menor pode proporcionar unha maior transferencia de calor e perda de presión.Ademais, utilizouse grafeno-platino (Gr-Pt) para investigar a calor, a fricción e a taxa de xeración de entropía global en tubos con insercións 2-TT28.O seu estudo mostrou que unha porcentaxe máis pequena de (Gr-Pt) reduciu significativamente a xeración de entropía de calor en comparación cun desenvolvemento de entropía de fricción relativamente maior.Os nanofluidos Al2O3@MgO mesturados e o WC cónico poden considerarse unha boa mestura, xa que unha relación aumentada (h/Δp) pode mellorar o rendemento hidrotermal dun intercambiador de calor de dous tubos 29 .Utilízase un modelo numérico para avaliar o aforro enerxético e o rendemento ambiental dos intercambiadores de calor con varios nanofluidos híbridos de tres partes (THNF) (Al2O3 + grafeno + MWCNT) suspendidos en DW30.Debido aos seus Criterios de Avaliación de Desempeño (PEC) no rango de 1,42 a 2,35, é necesaria unha combinación de Inserto de Turbulizador Retorcido Deprimido (DTTI) e (Al2O3 + Grafeno + MWCNT).
Ata agora, prestouse pouca atención ao papel da funcionalización covalente e non covalente no fluxo hidrodinámico en fluídos térmicos.O propósito específico deste estudo foi comparar as características termohidráulicas dos nanofluidos (ZNP-SDBS@DV) e (ZNP-COOH@DV) en insercións de cinta torcida con ángulos de hélice de 45° e 90°.As propiedades termofísicas midéronse a Estaño = 308 K. Neste caso, tivéronse en conta tres fraccións de masa no proceso de comparación, como (0,025 % en peso, 0,05 % en peso e 0,1 % en peso).A transferencia de esforzo cortante no modelo de fluxo turbulento 3D (SST k-ω) utilízase para resolver as características termohidráulicas.Así, este estudo contribúe significativamente ao estudo das propiedades positivas (transferencia de calor) e negativas (caída de presión por rozamento), demostrando as características termohidráulicas e a optimización dos fluídos de traballo reais en tales sistemas de enxeñería.
A configuración básica é un tubo liso (L = 900 mm e Dh = 20 mm).Dimensións da cinta retorcida inserida (longitud = 20 mm, espesor = 0,5 mm, perfil = 30 mm).Neste caso, a lonxitude, o ancho e o trazo do perfil en espiral foron de 20 mm, 0,5 mm e 30 mm, respectivamente.As cintas retorcidas están inclinadas a 45° e 90°.Varios fluídos de traballo como DW, nanofluidos non covalentes (GNF-SDBS@DW) e nanofluidos covalentes (GNF-COOH@DW) a Estaño = 308 K, tres concentracións de masa diferentes e diferentes números de Reynolds.As probas realizáronse no interior do intercambiador de calor.A parede exterior do tubo espiral quentouse a unha temperatura superficial constante de 330 K para probar os parámetros para mellorar a transferencia de calor.
Sobre a fig.A figura 1 mostra esquemáticamente un tubo de inserción de cinta retorcida coas condicións de contorno aplicables e a área de malla.Como se mencionou anteriormente, as condicións de límite de velocidade e presión aplícanse ás partes de entrada e saída da hélice.A unha temperatura superficial constante, imponse unha condición antideslizante na parede do tubo.A simulación numérica actual utiliza unha solución baseada en presión.Ao mesmo tempo, utilízase un programa (ANSYS FLUENT 2020R1) para converter unha ecuación diferencial parcial (PDE) nun sistema de ecuacións alxébricas mediante o método de volume finito (FMM).O método SIMPLE de segunda orde (método semi-implícito para ecuacións secuenciais dependentes da presión) está relacionado coa velocidade-presión.Hai que subliñar que a converxencia dos residuos para as ecuacións de masa, momento e enerxía é menor que 103 e 106, respectivamente.
p Diagrama de dominios físicos e computacionais: (a) ángulo da hélice 90°, (b) ángulo da hélice 45°, (c) sen lámina helicoidal.
Utilízase un modelo homoxéneo para explicar as propiedades dos nanofluidos.Ao incorporar nanomateriais ao fluído base (DW), fórmase un fluído continuo con excelentes propiedades térmicas.Neste sentido, a temperatura e velocidade do fluído base e do nanomaterial teñen o mesmo valor.Debido ás teorías e presupostos anteriores, neste estudo funciona un fluxo monofásico eficiente.Varios estudos demostraron a eficacia e aplicabilidade das técnicas monofásicas para o fluxo nanofluídico31,32.
O fluxo de nanofluidos debe ser turbulento newtoniano, incompresible e estacionario.O traballo de compresión e o quecemento viscoso son irrelevantes neste estudo.Ademais, non se ten en conta o grosor das paredes interiores e exteriores do tubo.Polo tanto, as ecuacións de conservación de masa, momento e enerxía que definen o modelo térmico pódense expresar do seguinte xeito:
onde \(\overrightarrow{V}\) é o vector de velocidade media, Keff = K + Kt é a condutividade térmica efectiva dos nanofluidos covalentes e non covalentes e ε é a taxa de disipación de enerxía.As propiedades termofísicas efectivas dos nanofluidos, incluíndo a densidade (ρ), a viscosidade (μ), a capacidade calorífica específica (Cp) e a condutividade térmica (k), mostradas na táboa, foron medidas durante un estudo experimental a unha temperatura de 308 K1 cando se usan. nestes simuladores.
Realizáronse simulacións numéricas de fluxo de nanofluídos turbulentos en tubos convencionais e TT con números de Reynolds 7000 ≤ Re ≤ 17000. Estas simulacións e os coeficientes de transferencia de calor convectivo foron analizados utilizando o modelo de turbulencia κ-ω de Mentor de transferencia de esforzo cortante (SST) promediado sobre a turbulencia de Reynold. modelo Navier-Stokes, de uso habitual na investigación aerodinámica.Ademais, o modelo funciona sen función de parede e é preciso preto das paredes 35,36.(SST) κ-ω ecuacións que rexen o modelo de turbulencia son as seguintes:
onde \(S\) é o valor da taxa de deformación, e \(y\) é a distancia á superficie adxacente.Mentres tanto, \({\alpha}_{1}\), \({\alpha}_{2}\), \({\beta}_{1}\), \({\beta}_{ 2 }\), \({\beta}^{*}\), \({\sigma}_{{k}_{1}}\), \({\sigma}_{{k}_{ 2 }}\), \({\sigma}_{{\omega}_{1}}\) e \({\sigma}_{{\omega}_{2}}\) denotan todas as constantes do modelo.F1 e F2 son funcións mixtas.Nota: F1 = 1 na capa límite, 0 no fluxo entrante.
Os parámetros de avaliación do rendemento utilízanse para estudar a transferencia de calor convectiva turbulenta, o fluxo de nanofluidos covalentes e non covalentes, por exemplo31:
Neste contexto, (\(\rho\)), (\(v\)), (\({D}_{h}\)) e (\(\mu\)) utilízanse para a densidade, a velocidade do fluído , diámetro hidráulico e viscosidade dinámica.(\({C}_{p}\, \mathrm{u}\, k\)) - capacidade calorífica específica e condutividade térmica do fluído que circula.Ademais, (\(\dot{m}\)) refírese ao fluxo de masa, e (\({T}_{out}-{T}_{in}\)) refírese á diferenza de temperatura de entrada e saída.(NFs) refírese a nanofluidos covalentes e non covalentes, e (DW) refírese a auga destilada (fluído base).\({A}_{s} = \pi DL\), \({\overline{T}}_{f}=\frac{\left({T}_{out}-{T}_{in }\right)}{2}\) e \({\overline{T}}_{w}=\sum \frac{{T}_{w}}{n}\).
As propiedades termofísicas do fluído base (DW), do nanofluido non covalente (GNF-SDBS@DW) e do nanofluido covalente (GNF-COOH@DW) foron tomadas da literatura publicada (estudos experimentais), Sn = 308 K, como que se mostra na Táboa 134. Nun experimento típico para obter un nanofluido non covalente (GNP-SDBS@DW) con porcentaxes de masa coñecidas, pesáronse inicialmente certos gramos de PNB primarios nunha balanza dixital.A relación ponderal SDBS/PNB nativo está ponderada en DW (0,5:1).Neste caso, sintetizáronse nanofluidos covalentes (COOH-GNP@DW) engadindo grupos carboxilo á superficie do GNP utilizando un medio fortemente ácido cunha proporción de volumes (1:3) de HNO3 e H2SO4.Os nanofluidos covalentes e non covalentes suspendéronse en DW en tres porcentaxes de peso diferentes, como 0,025% en peso, 0,05% en peso.e 0,1% da masa.
Realizáronse probas de independencia da malla en catro dominios computacionais diferentes para garantir que o tamaño da malla non afecte á simulación.No caso dun tubo de torsión de 45°, o número de unidades con tamaño de unidade de 1,75 mm é 249.033, o número de unidades con tamaño de unidade de 2 mm é 307.969, o número de unidades con tamaño de unidade de 2,25 mm é de 421.406 e o número de unidades. cun tamaño da unidade 2,5 mm 564 940 respectivamente.Ademais, no exemplo dun tubo retorcido a 90°, o número de elementos cun tamaño de elemento de 1,75 mm é 245.531, o número de elementos cun tamaño de elemento de 2 mm é 311.584, o número de elementos cun tamaño de elemento de 2,25 mm é 422.708 e o número de elementos cun tamaño de elemento de 2,5 mm é respectivamente 573.826.A precisión das lecturas de propiedades térmicas como (Tout, htc e Nuavg) aumenta a medida que diminúe o número de elementos.Ao mesmo tempo, a precisión dos valores do coeficiente de fricción e da caída de presión mostrou un comportamento completamente diferente (Fig. 2).Utilizouse a cuadrícula (2) como área principal da cuadrícula para avaliar as características termohidráulicas no caso simulado.
Proba o rendemento da transferencia de calor e da caída de presión independentemente da malla utilizando pares de tubos DW retorcidos a 45° e 90°.
Os resultados numéricos presentes foron validados para o rendemento da transferencia de calor e o coeficiente de fricción utilizando correlacións empíricas e ecuacións ben coñecidas como Dittus-Belter, Petukhov, Gnelinsky, Notter-Rouse e Blasius.A comparación realizouse baixo a condición 7000≤Re≤17000.Segundo a fig.3, os erros medios e máximos entre os resultados da simulación e a ecuación de transferencia de calor son 4,050 e 5,490% (Dittus-Belter), 9,736 e 11,33% (Petukhov), 4,007 e 7,483% (Gnelinsky) e 3,883% e 4,937% (4. Nott-Belter).Rosa).Neste caso, os erros medios e máximos entre os resultados da simulación e a ecuación do coeficiente de rozamento son 7,346% e 8,039% (Blasius) e 8,117% e 9,002% (Petukhov), respectivamente.
Transferencia de calor e propiedades hidrodinámicas de DW en varios números de Reynolds utilizando cálculos numéricos e correlacións empíricas.
Esta sección discute as propiedades térmicas dos nanofluidos acuosos non covalentes (LNP-SDBS) e covalentes (LNP-COOH) en tres fraccións de masa diferentes e os números de Reynolds como medias relativas ao fluído base (DW).Trátase de dúas xeometrías de intercambiadores de calor de correa enrollada (ángulo de hélice 45° e 90°) para 7000 ≤ Re ≤ 17000. Na fig.4 mostra a temperatura media á saída do nanofluído no fluído base (DW) (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{ DW } } \) ) a (0,025 % en peso, 0,05 % en peso e 0,1 % en peso).(\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) sempre é inferior a 1, o que significa que a temperatura de saída Os nanofluidos non covalentes (VNP-SDBS) e covalentes (VNP-COOH) están por debaixo da temperatura na saída do líquido base.As reducións máis baixas e máis altas foron 0,1% en peso de COOH@GNPs e 0,1% en peso de SDBS@GNPs, respectivamente.Este fenómeno débese a un aumento do número de Reynolds nunha fracción de masa constante, o que leva a un cambio nas propiedades do nanofluido (é dicir, a densidade e a viscosidade dinámica).
As figuras 5 e 6 mostran as características medias de transferencia de calor do nanofluido ao fluído base (DW) en (0,025 % en peso, 0,05 % en peso e 0,1 % en peso).As propiedades medias de transferencia de calor son sempre superiores a 1, o que significa que as propiedades de transferencia de calor dos nanofluidos non covalentes (LNP-SDBS) e covalentes (LNP-COOH) melloran en comparación co fluído base.0,1% en peso de COOH@GNP e 0,1% en peso de SDBS@GNP lograron a ganancia máis baixa e máis alta, respectivamente.Cando o número de Reynolds aumenta debido á maior mestura de fluídos e turbulencias no tubo 1, o rendemento da transferencia de calor mellora.Os fluídos a través de pequenos espazos alcanzan velocidades máis altas, o que resulta nunha capa límite de velocidade/calor máis delgada, o que aumenta a velocidade de transferencia de calor.Engadir máis nanopartículas ao fluído base pode ter resultados tanto positivos como negativos.Os efectos beneficiosos inclúen o aumento das colisións de nanopartículas, os requisitos favorables de condutividade térmica do fluído e a transferencia de calor mellorada.
Coeficiente de transferencia de calor do nanofluido ao fluído base dependendo do número de Reynolds para tubos de 45° e 90°.
Ao mesmo tempo, un efecto negativo é un aumento da viscosidade dinámica do nanofluído, o que reduce a mobilidade do nanofluído, reducindo así o número medio de Nusselt (Nuavg).O aumento da condutividade térmica dos nanofluidos (ZNP-SDBS@DW) e (ZNP-COOH@DW) debería deberse ao movemento browniano e á microconvección das nanopartículas de grafeno suspendidas en DW37.A condutividade térmica do nanofluido (ZNP-COOH@DV) é maior que a do nanofluido (ZNP-SDBS@DV) e da auga destilada.Ao engadir máis nanomateriais ao fluído base aumenta a súa condutividade térmica (táboa 1)38.
A figura 7 ilustra o coeficiente medio de rozamento dos nanofluidos co fluído base (DW) (f(NFs)/f(DW)) en porcentaxe en masa (0,025 %, 0,05 % e 0,1 %).O coeficiente de rozamento medio é sempre ≈1, o que significa que os nanofluidos non covalentes (GNF-SDBS@DW) e covalentes (GNF-COOH@DW) teñen o mesmo coeficiente de rozamento que o fluído base.Un intercambiador de calor con menos espazo crea máis obstrución do fluxo e aumenta a fricción do fluxo1.Basicamente, o coeficiente de fricción aumenta lixeiramente co aumento da fracción de masa do nanofluido.As maiores perdas por fricción son causadas polo aumento da viscosidade dinámica do nanofluido e o aumento da tensión de cizallamento na superficie cunha maior porcentaxe de masa de nanografeno no fluído base.A táboa (1) mostra que a viscosidade dinámica do nanofluido (ZNP-SDBS@DV) é maior que a do nanofluido (ZNP-COOH@DV) na mesma porcentaxe de peso, que está asociada coa adición de efectos de superficie.axentes activos nun nanofluido non covalente.
Sobre a fig.A figura 8 mostra o nanofluído en comparación co fluído base (DW) (\(\frac{{\Delta P}_{NFs}}{{\Delta P}_{DW}}\)) a (0,025%, 0,05% e 0,1% ).O nanofluido non covalente (GNPs-SDBS@DW) mostrou unha maior perda de presión media, e cun aumento da porcentaxe de masa ata o 2,04% para o 0,025% en peso, o 2,46% para o 0,05% en peso.e 3,44% para o 0,1% en peso.con ampliación da caixa (ángulo de hélice 45° e 90°).Mentres tanto, o nanofluido (GNPs-COOH@DW) mostrou unha menor perda de presión media, aumentando desde o 1,31% ao 0,025% en peso.ata 1,65% ao 0,05% en peso.A perda de presión media do 0,05% en peso de COOH@NP e do 0,1% en peso de COOH@NP é do 1,65%.Como se pode ver, a caída de presión aumenta co aumento do número Re en todos os casos.Un aumento da caída de presión a altos valores de Re indícase por unha dependencia directa do caudal volumétrico.Polo tanto, un maior número Re no tubo leva a unha maior caída de presión, o que require un aumento da potencia da bomba39,40.Ademais, as perdas de presión son maiores debido á maior intensidade de remolinos e turbulencias xeradas pola maior superficie, o que aumenta a interacción das forzas de presión e inercia na capa límite1.
En xeral, os criterios de avaliación do rendemento (PEC) para nanofluidos non covalentes (VNP-SDBS@DW) e covalentes (VNP-COOH@DW) móstranse nas Figs.9. Nanofluid (ZNP-SDBS@DV) mostrou valores de PEC máis altos que (ZNP-COOH@DV) en ambos casos (ángulo de hélice 45° e 90°) e mellorouse aumentando a fracción de masa, por exemplo, 0,025 % en pesoé 1,17, 0,05% en peso é 1,19 e 0,1% en peso é 1,26.Mentres tanto, os valores de PEC empregando nanofluidos (GNPs-COOH@DW) foron 1,02 para 0,025% en peso, 1,05 para 0,05% en peso, 1,05 para 0,1% en peso.en ambos casos (ángulo da hélice 45° e 90°).1.02.Como regra xeral, cun aumento do número de Reynolds, a eficiencia termohidráulica diminúe significativamente.A medida que aumenta o número de Reynolds, a diminución do coeficiente de eficiencia térmico-hidráulica asóciase sistemáticamente cun aumento de (NuNFs/NuDW) e unha diminución de (fNFs/fDW).
Propiedades hidrotérmicas dos nanofluídos con respecto aos fluídos de base dependendo dos números de Reynolds para tubos con ángulos de 45° e 90°.
Esta sección analiza as propiedades térmicas dos nanofluidos da auga (DW), non covalentes (VNP-SDBS@DW) e covalentes (VNP-COOH@DW) en tres concentracións de masa diferentes e números de Reynolds.Consideráronse dúas xeometrías de intercambiadores de calor de correa enrollada no rango 7000 ≤ Re ≤ 17000 con respecto aos tubos convencionais (ángulos de hélice 45° e 90°) para avaliar o rendemento termohidráulico medio.Sobre a fig.A figura 10 mostra a temperatura da auga e dos nanofluídos na saída como media usando (ángulo de hélice 45° e 90°) para un tubo común (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{ {T} _{fóra}}_{Regular}}\)).Os nanofluidos non covalentes (GNP-SDBS@DW) e covalentes (GNP-COOH@DW) teñen tres fraccións en peso diferentes, como 0,025% en peso, 0,05% en peso e 0,1% en peso.Como se mostra na fig.11, o valor medio da temperatura de saída (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{{T}_{out}}_{Plain}}\)) > 1, indicando que (ángulo de hélice de 45° e 90°) a temperatura á saída do intercambiador de calor é máis significativa que a dun tubo convencional, debido á maior intensidade da turbulencia e á mellor mestura do líquido.Ademais, a temperatura na saída dos nanofluidos DW, non covalentes e covalentes diminuíu co aumento do número de Reynolds.O fluído base (DW) ten a temperatura media de saída máis alta.Mentres tanto, o valor máis baixo refírese ao 0,1% en peso de SDBS@GNPs.Os nanofluidos non covalentes (GNPs-SDBS@DW) mostraron unha temperatura media de saída máis baixa en comparación cos nanofluidos covalentes (GNPs-COOH@DW).Dado que a cinta torcida fai que o campo de fluxo sexa máis mesturado, o fluxo de calor preto da parede pode pasar máis facilmente a través do líquido, aumentando a temperatura global.Unha menor relación de torsión a cinta resulta nunha mellor penetración e, polo tanto, unha mellor transferencia de calor.Por outra banda, pódese ver que a cinta enrolada mantén unha temperatura máis baixa contra a parede, o que á súa vez aumenta o Nuavg.Para insercións de cinta torcida, un valor Nuavg máis alto indica unha mellor transferencia de calor convectiva dentro do tubo22.Debido ao aumento do camiño do fluxo e á mestura e turbulencia adicionais, o tempo de residencia aumenta, o que provoca un aumento da temperatura do líquido na saída41.
Números de Reynolds de varios nanofluidos relativos á temperatura de saída dos tubos convencionais (ángulos de hélice de 45° e 90°).
Coeficientes de transferencia de calor (ángulo de hélice de 45° e 90°) fronte aos números de Reynolds para varios nanofluidos en comparación cos tubos convencionais.
O principal mecanismo de transferencia de calor da cinta enrolada mellorada é o seguinte: 1. A redución do diámetro hidráulico do tubo de intercambio de calor leva a un aumento da velocidade e curvatura do fluxo, o que á súa vez aumenta o esforzo cortante na parede e promove o movemento secundario.2. Debido ao bloqueo da cinta de enrolamento, a velocidade na parede do tubo aumenta e o grosor da capa límite diminúe.3. O fluxo en espiral detrás do cinto retorcido leva a un aumento da velocidade.4. Os vórtices inducidos melloran a mestura de fluídos entre as rexións central e próxima á parede do fluxo42.Sobre a fig.11 e fig.A figura 12 mostra as propiedades de transferencia de calor do DW e dos nanofluidos, por exemplo (coeficiente de transferencia de calor e número de Nusselt medio) como medias usando tubos de inserción de cinta torcida en comparación cos tubos convencionais.Os nanofluidos non covalentes (GNP-SDBS@DW) e covalentes (GNP-COOH@DW) teñen tres fraccións en peso diferentes, como 0,025% en peso, 0,05% en peso e 0,1% en peso.En ambos os intercambiadores de calor (ángulo de hélice de 45° e 90°) o rendemento medio da transferencia de calor é > 1, o que indica unha mellora do coeficiente de transferencia de calor e do número de Nusselt medio con tubos enrolados en comparación cos tubos convencionais.Os nanofluidos non covalentes (GNPs-SDBS@DW) mostraron unha mellora da transferencia de calor media máis alta que os nanofluidos covalentes (GNPs-COOH@DW).En Re = 900, a mellora do 0,1% en peso no rendemento da transferencia de calor -SDBS@GNPs para os dous intercambiadores de calor (ángulo de hélice de 45° e 90°) foi a máis alta cun valor de 1,90.Isto significa que o efecto TP uniforme é máis importante a velocidades de fluído máis baixas (número de Reynolds)43 e aumentando a intensidade da turbulencia.Debido á introdución de múltiples vórtices, o coeficiente de transferencia de calor e o número medio de tubos Nusselt de tubos TT son máis altos que os tubos convencionais, o que resulta nunha capa límite máis delgada.A presenza de HP aumenta a intensidade da turbulencia, a mestura dos fluxos de fluídos de traballo e a mellora da transferencia de calor en comparación cos tubos de base (sen inserir unha cinta retorcida)21.
Número medio de Nusselt (ángulo da hélice 45° e 90°) fronte ao número de Reynolds para varios nanofluidos en comparación cos tubos convencionais.
As figuras 13 e 14 mostran o coeficiente medio de rozamento (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Liso}}\)) e a perda de presión (\(\frac{{\Delta P} _ {Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\}} uns 45° e 90° para tubos convencionais que usan nanofluidos DW, o intercambiador de iones (GNPs-SDBS@DW) e (GNPs-COOH@DW) contén ( 0,025 % en peso, 0,05 % en peso e 0,1 % en peso). {{f}_{Plain} }\)) e perda de presión (\(\frac{{ \Delta P}_{Twisted}}{{\Delta P) }_{Plain}}\}) diminúen. Casos, o coeficiente de rozamento e a perda de presión son maiores en números de Reynolds máis baixos. O coeficiente de rozamento medio e a perda de presión están entre 3,78 e 3,12. O coeficiente de rozamento e a perda de presión medios mostran que (hélice de 45°). ángulo e 90°) o intercambiador de calor custa tres veces máis que os tubos convencionais.Ademais, cando o fluído de traballo flúe a maior velocidade, o coeficiente de rozamento diminúe.O problema xorde porque a medida que aumenta o número de Reynolds, o espesor da capa límite. diminúe, o que leva a unha diminución do efecto da viscosidade dinámica sobre a zona afectada, unha diminución dos gradientes de velocidade e esforzos cortantes e, en consecuencia, unha diminución do coeficiente de rozamento21.O efecto de bloqueo mellorado debido á presenza de TT e o aumento do remolino resulta en perdas de presión significativamente máis altas para tubos TT heteroxéneos que para tubos de base.Ademais, tanto para o tubo base como para o tubo TT, pódese observar que a caída de presión aumenta coa velocidade do fluído de traballo43.
Coeficiente de fricción (ángulo de hélice de 45° e 90°) fronte ao número de Reynolds para varios nanofluidos en comparación cos tubos convencionais.
Perda de presión (ángulo de hélice de 45° e 90°) en función do número de Reynolds para varios nanofluidos en relación a un tubo convencional.
En resumo, a Figura 15 mostra os criterios de avaliación do rendemento (PEC) para intercambiadores de calor con ángulos de 45° e 90° en comparación cos tubos lisos (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}} \ ) ) en (0,025% en peso, 0,05% en peso e 0,1% en peso) usando nanofluidos DV, (VNP-SDBS@DV) e covalentes (VNP-COOH@DV).O valor (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) > 1 en ambos casos (ángulo de hélice de 45° e 90°) no intercambiador de calor.Ademais, (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) alcanza o seu mellor valor en Re = 11.000.O intercambiador de calor de 90° mostra un lixeiro aumento en (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Liso}}\)) en comparación cun intercambiador de calor de 45°., En Re = 11.000 0,1% en peso-GNPs@SDBS representa valores máis altos (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Liso}}\))), por exemplo, 1,25 para a esquina do intercambiador de calor a 45° e 1,27 para intercambiador de calor de esquina de 90°.É maior que un en todas as porcentaxes da fracción de masa, o que indica que os tubos con insercións de cinta retorcidas son superiores aos tubos convencionais.Notablemente, a mellora da transferencia de calor proporcionada polas insercións de cinta deu lugar a un aumento significativo das perdas por fricción22.
Criterios de eficiencia para o número de Reynolds de varios nanofluidos en relación aos tubos convencionais (ángulo de hélice de 45° e 90°).
O apéndice A amosa liñas de racionalización para intercambiadores de calor de 45° e 90° a Re = 7000 usando DW, 0,1% en peso-GNP-SDBS@DW e 0,1% en peso-GNP-COOH@DW.As liñas de aire no plano transversal son a característica máis rechamante do efecto das insercións de cinta retorcidas no fluxo principal.O uso de intercambiadores de calor de 45° e 90° mostra que a velocidade na rexión próxima á parede é aproximadamente a mesma.Mentres tanto, o Apéndice B mostra os contornos de velocidade para intercambiadores de calor de 45° e 90° a Re = 7000 usando DW, 0,1% en peso-GNP-SDBS@DW e 0,1% en peso-GNP-COOH@DW.Os bucles de velocidade están en tres lugares diferentes (porcións), por exemplo, Plain-1 (P1 = −30 mm), Plain-4 (P4 = 60 mm) e Plain-7 (P7 = 150 mm).A velocidade de fluxo preto da parede da tubaxe é a máis baixa e a velocidade do fluído aumenta cara ao centro da tubaxe.Ademais, ao pasar polo conduto de aire, a área de baixas velocidades preto da parede aumenta.Isto débese ao crecemento da capa límite hidrodinámica, que aumenta o espesor da rexión de baixa velocidade preto da parede.Ademais, o aumento do número de Reynolds aumenta o nivel de velocidade global en todas as seccións transversais, reducindo así o espesor da rexión de baixa velocidade na canle39.
Avaliáronse nanofollas de grafeno funcionalizadas covalentemente e non covalentemente en insercións de cinta torcida con ángulos de hélice de 45° e 90°.O intercambiador de calor resólvese numericamente utilizando o modelo de turbulencia SST k-omega a 7000 ≤ Re ≤ 17000. As propiedades termofísicas calcúlanse a Estaño = 308 K. Quentar simultaneamente a parede do tubo retorcido a unha temperatura constante de 330 K. COOH@DV) foi diluído en tres cantidades de masa, por exemplo (0,025% en peso, 0,05% en peso e 0,1% en peso).O estudo actual considerou seis factores principais: temperatura de saída, coeficiente de transferencia de calor, número medio de Nusselt, coeficiente de fricción, perda de presión e criterios de avaliación do rendemento.Aquí están os principais achados:
A temperatura media de saída (\({{T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) é sempre inferior a 1, o que significa que non espallado A temperatura de saída dos nanofluidos de valencia (ZNP-SDBS@DV) e covalente (ZNP-COOH@DV) é inferior á do líquido base.Mentres tanto, o valor medio da temperatura de saída (\({{T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\)) > 1, o que indica ao feito de que (ángulo de hélice de 45° e 90°) a temperatura de saída é superior á dos tubos convencionais.
En ambos os casos, os valores medios das propiedades de transferencia de calor (nanofluido/fluído base) e (tubo retorcido/tubo normal) sempre mostran >1.Os nanofluidos non covalentes (GNPs-SDBS@DW) mostraron un aumento medio maior na transferencia de calor, correspondente aos nanofluidos covalentes (GNPs-COOH@DW).
O coeficiente medio de fricción (\({f}_{Nanofluidos}/{f}_{Basefluid}\)) dos nanofluidos non covalentes (VNP-SDBS@DW) e covalentes (VNP-COOH@DW) é sempre ≈1 .fricción de nanofluidos non covalentes (ZNP-SDBS@DV) e covalentes (ZNP-COOH@DV) (\({f}_{Twisted}/{f}_{Plain}\)) para sempre > 3.
En ambos casos (ángulo de hélice de 45° e 90°), os nanofluidos (GNPs-SDBS@DW) mostraron máis altos (\({\Delta P}_{Nanofluidos}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) 0,025 % en peso para 2,04 %, 0,05 % en peso para 2,46 % e 0,1 % en peso para 3,44 %.Mentres tanto, os nanofluidos (GNPs-COOH@DW) mostraron menores (\({\Delta P}_{Nanofluidos}/{\Delta P}_{Basefluid}\))) do 1,31% para o 0,025% en peso ao 1,65% é 0,05 % en peso.Ademais, a perda media de presión (\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\) de non covalente (GNPs-SDBS@DW) e covalente (GNPs-COOH@DW). ))) nanofluidos sempre >3.
En ambos casos (ángulos de hélice de 45° e 90°), os nanofluidos (GNPs-SDBS@DW) mostraron un valor de @DW máis alto (\({PEC}_{Nanofluidos}/{PEC} _{Basefluid}\))) , por exemplo, 0,025% en peso - 1,17, 0,05% en peso - 1,19, 0,1% en peso - 1,26.Neste caso, os valores de (\({PEC}_{Nanofluidos}/{PEC}_{Basefluid}\)) usando nanofluidos (GNPs-COOH@DW) son 1,02 para 0,025% en peso, 1,05 para 0 , 05 pesos% e 1,02 é 0,1% en peso.Ademais, en Re = 11.000, o 0,1% en peso de GNPs@SDBS mostrou valores máis altos (\({PEC}_{Twisted}/{PEC}_{Liso}\)), como 1,25 para un ángulo de hélice de 45° e ángulo de hélice de 90° 1,27.
Thianpong, C. et al.Optimización multiusos do fluxo de dióxido de titanio nanofluido/auga no intercambiador de calor, mellorada por insercións de cinta torcida con ás delta.interno J. Quente.a ciencia.172, 107318 (2022).
Langerudi, HG e Jawaerde, C. Estudo experimental do fluxo de fluídos non newtonianos en foles inseridos con cintas torcidas típicas e en forma de V.Transferencia de calor e masa 55, 937–951 (2019).
Dong, X. et al.Estudo experimental das características de transferencia de calor e resistencia ao fluxo dun intercambiador de calor tubular retorcido en espiral [J].Temperatura de aplicación.proxecto.176, 115397 (2020).
Yongsiri, K., Eiamsa-Ard, P., Wongcharee, K. & Eiamsa-Ard, SJCS Mellora da transferencia de calor no fluxo turbulento da canle con aletas separadoras oblicuas.investigación temática.temperatura.proxecto.3, 1–10 (2014).
Hora de publicación: 17-mar-2023