Hvala što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju preglednika s ograničenom CSS podrškom.Za najbolje iskustvo preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).Osim toga, kako bismo osigurali stalnu podršku, web stranicu prikazujemo bez stilova i JavaScripta.
Klizači koji prikazuju tri članka po slajdu.Za pomicanje kroz slajdove koristite gumbe Natrag i Sljedeće ili gumbe za upravljanje slajdovima na kraju za kretanje kroz svaki slajd.
304 Namotana cijev od nehrđajućeg čelika 10*1 mm u Kini
Veličina: 3/4 inča, 1/2 inča, 1 inča, 3 inča, 2 inča
Duljina cijevi jedinice: 6 metara
Klasa čelika: 201, 304 I 316
Razred: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,
Materijal: INOX
Stanje: Novo
Zavojnica cijevi od nehrđajućeg čelika
Veličina: 3/4 inča, 1/2 inča, 1 inča, 3 inča, 2 inča
Duljina cijevi jedinice: 6 metara
Klasa čelika: 201, 304 I 316
Razred: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,
Materijal: INOX
Stanje: Novo
Kovalentni i nekovalentni nanofluidi testirani su u okruglim cijevima opremljenim umetcima od upletene trake s kutovima spirale od 45° i 90°.Reynoldsov broj bio je 7000 ≤ Re ≤ 17000, termofizička svojstva procijenjena su na 308 K. Fizikalni model riješen je numerički korištenjem dvoparametarskog modela turbulentne viskoznosti (SST k-omega turbulencija).U radu su razmatrane koncentracije (0,025 tež.%, 0,05 tež.% i 0,1 tež.%) nanofluida ZNP-SDBS@DV i ZNP-COOH@DV.Stijenke upletenih cijevi zagrijavaju se na konstantnoj temperaturi od 330 K. U ovom istraživanju uzeto je u obzir šest parametara: izlazna temperatura, koeficijent prijenosa topline, prosječni Nusseltov broj, koeficijent trenja, gubitak tlaka i kriteriji za ocjenu učinka.U oba slučaja (kut zavojnice od 45° i 90°), nanofluid ZNP-SDBS@DV pokazao je bolje toplinsko-hidrauličke karakteristike od ZNP-COOH@DV, a povećavao se s povećanjem masenog udjela, na primjer, 0,025 wt.i 0,05 mas.je 1,19.% i 1,26 – 0,1 tež. %.U oba slučaja (kut zavojnice 45° i 90°), vrijednosti termodinamičkih karakteristika pri korištenju GNP-COOH@DW su 1,02 za 0,025% wt., 1,05 za 0,05% wt.i 1,02 za 0,1% tež.
Izmjenjivač topline je termodinamički uređaj 1 koji se koristi za prijenos topline tijekom hlađenja i grijanja.Toplinsko-hidraulička svojstva izmjenjivača topline poboljšavaju koeficijent prolaza topline i smanjuju otpor radne tekućine.Razvijeno je nekoliko metoda za poboljšanje prijenosa topline, uključujući pojačivače turbulencije2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 i nanofluide12,13,14,15.Umetanje upletene trake jedna je od najuspješnijih metoda za poboljšanje prijenosa topline u izmjenjivačima topline zbog jednostavnosti održavanja i niske cijene7,16.
U nizu eksperimentalnih i računalnih istraživanja proučavana su hidrotermalna svojstva mješavina nanofluida i izmjenjivača topline s umetcima od upletene trake.U eksperimentalnom radu proučavana su hidrotermalna svojstva triju različitih metalnih nanofluida (Ag@DW, Fe@DW i Cu@DW) u izmjenjivaču topline s iglom upletenom vrpcom (STT)17.U usporedbi s osnovnom cijevi, koeficijent prijenosa topline STT je poboljšan za 11% i 67%.Izgled SST je najbolji s ekonomskog gledišta u smislu učinkovitosti s parametrom α = β = 0,33.Uz to, uočeno je povećanje n od 18,2% s Ag@DW, iako je maksimalno povećanje gubitka tlaka bilo samo 8,5%.Fizikalni procesi prijenosa topline i gubitka tlaka u koncentričnim cijevima sa i bez zavojnih turbulatora proučavani su korištenjem turbulentnih strujanja nanofluida Al2O3@DW s prisilnom konvekcijom.Maksimalni prosječni Nusseltov broj (Nuavg) i gubitak tlaka opaženi su pri Re = 20 000 kada je korak zavojnice = 25 mm i Al2O3@DW nanofluid 1,6 vol.%.Provedene su i laboratorijske studije za proučavanje prijenosa topline i karakteristika gubitka tlaka nanofluida grafen oksida (GO@DW) koji teku kroz gotovo kružne cijevi s WC umetcima.Rezultati su pokazali da 0,12 vol%-GO@DW povećava koeficijent konvektivnog prijenosa topline za oko 77%.U drugoj eksperimentalnoj studiji, nanofluidi (TiO2@DW) razvijeni su za proučavanje toplinsko-hidrauličkih karakteristika udubljenih cijevi opremljenih umetcima od upletene trake20.Maksimalna hidrotermalna učinkovitost od 1,258 postignuta je korištenjem 0,15 vol%-TiO2@DW ugrađenog u osovine nagnute pod kutom od 45° s faktorom uvijanja od 3,0.Jednofazni i dvofazni (hibridni) simulacijski modeli uzimaju u obzir protok i prijenos topline CuO@DW nanofluida pri različitim koncentracijama krutih tvari (1–4% vol.%)21.Maksimalna toplinska učinkovitost cijevi umetnute s jednom upredenom trakom je 2,18, a cijevi umetnute s dvije upletene trake pod istim uvjetima je 2,04 (dvofazni model, Re = 36 000 i 4 vol.%).Proučavano je ne-Newtonsko turbulentno strujanje nanofluida karboksimetil celuloze (CMC) i bakrenog oksida (CuO) u glavnim cijevima i cijevima s upletenim umetcima.Nuavg pokazuje poboljšanje od 16,1% (za glavni cjevovod) i 60% (za namotani cjevovod s omjerom (H/D = 5)).Općenito, manji omjer uvijanja i vrpce rezultira većim koeficijentom trenja.U eksperimentalnom istraživanju utjecaj cijevi s upletenom vrpcom (TT) i zavojnicama (VC) na svojstva prijenosa topline i koeficijent trenja proučavan je pomoću nanofluida CuO@DW.Upotrebom 0,3 vol.%-CuO@DW pri Re = 20 000 omogućuje povećanje prijenosa topline u cijevi VK-2 do maksimalne vrijednosti od 44,45%.Osim toga, kada se koristi kabel s upredenom paricom i umetak zavojnice pod istim rubnim uvjetima, koeficijent trenja se povećava za faktore od 1,17 i 1,19 u usporedbi s DW.Općenito, toplinska učinkovitost nanofluida umetnutih u zavojnice bolja je od one nanofluida umetnutih u upletene žice.Volumetrijska karakteristika turbulentnog (MWCNT@DW) toka nanofluida proučavana je unutar horizontalne cijevi umetnute u spiralnu žicu.Parametri toplinske izvedbe bili su > 1 za sve slučajeve, što ukazuje na to da kombinacija nanofluidije s umetkom zavojnice poboljšava prijenos topline bez potrošnje snage pumpe.Sažetak — Proučavane su hidrotermalne karakteristike dvocijevnog izmjenjivača topline s različitim umetcima od modificirane upleteno-upletene vrpce u obliku slova V (VcTT) u uvjetima turbulentnog strujanja nanofluida Al2O3 + TiO2@DW.U usporedbi s DW-om u baznim cijevima, Nuavg ima značajno poboljšanje od 132% i koeficijent trenja do 55%.Dodatno, raspravljalo se o energetskoj učinkovitosti nanokompozita Al2O3+TiO2@DW u dvocijevnom izmjenjivaču topline26.U svojoj studiji otkrili su da je upotreba Al2O3 + TiO2@DW i TT poboljšala eksergijsku učinkovitost u usporedbi s DW.U koncentričnim cjevastim izmjenjivačima topline s VcTT turbulatorima, Singh i Sarkar27 koristili su materijale s faznom promjenom (PCM), dispergirane pojedinačne/nanokompozitne nanofluide (Al2O3@DW s PCM i Al2O3 + PCM).Izvijestili su da se prijenos topline i gubitak tlaka povećavaju kako se koeficijent uvijanja smanjuje, a koncentracija nanočestica povećava.Veći faktor dubine V-zareza ili manji faktor širine može osigurati veći prijenos topline i gubitak tlaka.Osim toga, grafen-platina (Gr-Pt) korištena je za istraživanje topline, trenja i ukupne stope stvaranja entropije u cijevima s umetcima 2-TT28.Njihova je studija pokazala da manji postotak (Gr-Pt) značajno smanjuje stvaranje toplinske entropije u usporedbi s relativno višim razvojem entropije trenja.Mješoviti Al2O3@MgO nanofluidi i stožasti WC mogu se smatrati dobrom mješavinom, budući da povećani omjer (h/Δp) može poboljšati hidrotermalni učinak dvocijevnog izmjenjivača topline 29 .Numerički model koristi se za procjenu uštede energije i zaštite okoliša izmjenjivača topline s različitim trokomponentnim hibridnim nanofluidima (THNF) (Al2O3 + grafen + MWCNT) suspendiranim u DW30.Zbog svojih kriterija ocjenjivanja performansi (PEC) u rasponu od 1,42–2,35, potrebna je kombinacija depresivno upletenog umetka turbulizatora (DTTI) i (Al2O3 + grafen + MWCNT).
Do sada se malo pozornosti pridavalo ulozi kovalentne i nekovalentne funkcionalizacije u hidrodinamičkom strujanju u toplinskim tekućinama.Specifična svrha ovog istraživanja bila je usporediti toplinsko-hidrauličke karakteristike nanofluida (ZNP-SDBS@DV) i (ZNP-COOH@DV) u umetcima od upletene trake s kutovima spirale od 45° i 90°.Termofizička svojstva mjerena su pri Tin = 308 K. U ovom slučaju, u procesu usporedbe uzeta su u obzir tri masena udjela, kao što su (0,025 tež.%, 0,05 tež.% i 0,1 tež.%).Prijenos posmičnih naprezanja u 3D modelu turbulentnog strujanja (SST k-ω) koristi se za rješavanje termohidrauličkih karakteristika.Stoga ova studija daje značajan doprinos proučavanju pozitivnih svojstava (prijenos topline) i negativnih svojstava (pad tlaka na trenje), demonstrirajući toplinsko-hidrauličke karakteristike i optimizaciju stvarnih radnih fluida u takvim inženjerskim sustavima.
Osnovna konfiguracija je glatka cijev (L = 900 mm i Dh = 20 mm).Dimenzije umetnute tordirane trake (duljina = 20 mm, debljina = 0,5 mm, profil = 30 mm).U ovom slučaju, duljina, širina i hod spiralnog profila bili su 20 mm, 0,5 mm, odnosno 30 mm.Upredene trake su nagnute pod 45° i 90°.Razni radni fluidi kao što su DW, nekovalentni nanofluidi (GNF-SDBS@DW) i kovalentni nanofluidi (GNF-COOH@DW) pri Tin = 308 K, tri različite masene koncentracije i različiti Reynoldsovi brojevi.Ispitivanja su provedena unutar izmjenjivača topline.Vanjska stijenka spiralne cijevi zagrijavana je na konstantnoj površinskoj temperaturi od 330 K kako bi se ispitali parametri za poboljšanje prijenosa topline.
Na sl.Slika 1 shematski prikazuje cijev za umetanje upletene trake s primjenjivim rubnim uvjetima i područjem mreže.Kao što je ranije spomenuto, granični uvjeti brzine i tlaka primjenjuju se na ulazne i izlazne dijelove spirale.Pri konstantnoj površinskoj temperaturi, stijenci cijevi se nameće stanje protiv klizanja.Trenutna numerička simulacija koristi rješenje temeljeno na tlaku.Istodobno se koristi program (ANSYS FLUENT 2020R1) za pretvaranje parcijalne diferencijalne jednadžbe (PDE) u sustav algebarskih jednadžbi metodom konačnog volumena (FMM).SIMPLE metoda drugog reda (poluimplicitna metoda za sekvencijalne jednadžbe ovisne o tlaku) povezana je s brzinom-tlakom.Treba naglasiti da je konvergencija reziduala za jednadžbe mase, količine gibanja i energije manja od 103 odnosno 106.
p Dijagram fizičkih i računalnih domena: (a) kut zavojnice 90°, (b) kut zavojnice 45°, (c) bez spiralne lopatice.
Za objašnjenje svojstava nanofluida koristi se homogeni model.Ugradnjom nanomaterijala u osnovni fluid (DW) nastaje kontinuirani fluid izvrsnih toplinskih svojstava.U tom smislu, temperatura i brzina bazne tekućine i nanomaterijala imaju istu vrijednost.Zbog gornjih teorija i pretpostavki, učinkovit jednofazni protok funkcionira u ovoj studiji.Nekoliko je studija pokazalo učinkovitost i primjenjivost jednofaznih tehnika za nanofluidni protok31,32.
Protok nanofluida mora biti Newtonovski turbulentan, nestlačiv i stacionaran.Rad kompresije i viskozno zagrijavanje nisu relevantni u ovoj studiji.Osim toga, ne uzima se u obzir debljina unutarnje i vanjske stijenke cijevi.Stoga se jednadžbe održanja mase, količine gibanja i energije koje definiraju toplinski model mogu izraziti na sljedeći način:
gdje je \(\overrightarrow{V}\) srednji vektor brzine, Keff = K + Kt je efektivna toplinska vodljivost kovalentnih i nekovalentnih nanofluida, a ε je brzina disipacije energije.Učinkovita termofizička svojstva nanofluida, uključujući gustoću (ρ), viskoznost (μ), specifični toplinski kapacitet (Cp) i toplinsku vodljivost (k), prikazana u tablici, izmjerena su tijekom eksperimentalne studije na temperaturi od 308 K1 kada se koristi u ovim simulatorima.
Numeričke simulacije turbulentnog protoka nanofluida u konvencionalnim i TT cijevima provedene su pri Reynoldsovim brojevima 7000 ≤ Re ≤ 17000. Ove simulacije i koeficijenti konvektivnog prijenosa topline analizirani su korištenjem Mentorovog κ-ω modela turbulencije prijenosa smičnih naprezanja (SST) usrednjenog preko Reynoldsove turbulencije model Navier-Stokes, koji se obično koristi u aerodinamičkim istraživanjima.Osim toga, model radi bez zidne funkcije i točan je u blizini zidova 35,36.(SST) κ-ω upravljačke jednadžbe modela turbulencije su sljedeće:
gdje je \(S\) vrijednost brzine deformacije, a \(y\) udaljenost do susjedne površine.U međuvremenu, \({\alpha}_{1}\), \({\alpha}_{2}\), \({\beta}_{1}\), \({\beta}_{ 2 }\), \({\beta}^{*}\), \({\sigma}_{{k}_{1}}\), \({\sigma}_{{k}_{ 2 }}\), \({\sigma}_{{\omega}_{1}}\) i \({\sigma}_{{\omega}_{2}}\) označavaju sve konstante modela.F1 i F2 su mješovite funkcije.Napomena: F1 = 1 u graničnom sloju, 0 u nadolazećem toku.
Parametri ocjenjivanja učinkovitosti koriste se za proučavanje turbulentnog konvektivnog prijenosa topline, kovalentnog i nekovalentnog protoka nanofluida, na primjer31:
U ovom kontekstu, (\(\rho\)), (\(v\)), (\({D}_{h}\)) i (\(\mu\)) koriste se za gustoću, brzinu tekućine , hidraulički promjer i dinamička viskoznost.(\({C}_{p}\, \mathrm{u}\, k\)) – specifični toplinski kapacitet i toplinska vodljivost tekućine koja teče.Također, (\(\dot{m}\)) odnosi se na maseni protok, a (\({T}_{out}-{T}_{in}\)) odnosi se na ulaznu i izlaznu temperaturnu razliku.(NFs) se odnosi na kovalentne, nekovalentne nanofluide, a (DW) se odnosi na destiliranu vodu (bazni fluid).\({A}_{s} = \pi DL\), \({\overline{T}}_{f}=\frac{\left({T}_{out}-{T}_{in }\right)}{2}\) i \({\overline{T}}_{w}=\sum \frac{{T}_{w}}{n}\).
Termofizička svojstva baznog fluida (DW), nekovalentnog nanofluida (GNF-SDBS@DW) i kovalentnog nanofluida (GNF-COOH@DW) preuzeta su iz objavljene literature (eksperimentalne studije), Sn = 308 K, kao prikazano u tablici 134. U tipičnom eksperimentu za dobivanje nekovalentne (GNP-SDBS@DW) nanofluida s poznatim masenim postocima, određeni grami primarnog GNP-a početno su izvagani na digitalnoj vagi.Omjer težine SDBS/nativnog GNP-a je (0,5:1) ponderiran u DW.U ovom slučaju, kovalentni (COOH-GNP@DW) nanofluidi sintetizirani su dodavanjem karboksilnih skupina na površinu GNP-a korištenjem jako kiselog medija s volumnim omjerom (1:3) HNO3 i H2SO4.Kovalentni i nekovalentni nanofluidi suspendirani su u DW u tri različita težinska postotka kao što je 0,025 tež.%, 0,05 tež.%.i 0,1% mas.
Testovi neovisnosti mreže provedeni su u četiri različite računalne domene kako bi se osiguralo da veličina mreže ne utječe na simulaciju.U slučaju torzijske cijevi od 45°, broj jedinica s jediničnom veličinom 1,75 mm je 249 033, broj jedinica s jediničnom veličinom 2 mm je 307 969, broj jedinica s jediničnom veličinom 2,25 mm je 421 406, a broj jedinica s jediničnom veličinom 2 ,5 mm 564 940 respektivno.Osim toga, u primjeru cijevi upletene pod kutom od 90°, broj elemenata s veličinom elementa od 1,75 mm je 245 531, broj elemenata s veličinom elementa od 2 mm je 311 584, broj elemenata s veličinom elementa od 2,25 mm je 422.708, a broj elemenata s veličinom elementa od 2,5 mm je redom 573.826.Točnost očitanja toplinskih svojstava kao što su (Tout, htc i Nuavg) raste kako se smanjuje broj elemenata.Istodobno, točnost vrijednosti koeficijenta trenja i pada tlaka pokazala je potpuno drugačije ponašanje (slika 2).Mreža (2) korištena je kao glavno područje mreže za procjenu termohidrauličkih karakteristika u simuliranom slučaju.
Ispitivanje performansi prijenosa topline i pada tlaka neovisno o mrežici pomoću parova DW cijevi upletenih pod 45° i 90°.
Sadašnji numerički rezultati potvrđeni su za učinak prijenosa topline i koeficijent trenja korištenjem dobro poznatih empirijskih korelacija i jednadžbi kao što su Dittus-Belter, Petukhov, Gnelinsky, Notter-Rouse i Blasius.Usporedba je provedena pod uvjetom 7000≤Re≤17000.Prema sl.3, prosječne i maksimalne pogreške između rezultata simulacije i jednadžbe prijenosa topline su 4,050 i 5,490% (Dittus-Belter), 9,736 i 11,33% (Petukhov), 4,007 i 7,483% (Gnelinsky), te 3,883% i 4,937% ( Nott-Belter).Ruža).U ovom slučaju, prosječna i maksimalna pogreška između rezultata simulacije i jednadžbe koeficijenta trenja su 7,346% i 8,039% (Blasius) odnosno 8,117% i 9,002% (Petukhov).
Prijenos topline i hidrodinamička svojstva DW pri različitim Reynoldsovim brojevima korištenjem numeričkih izračuna i empirijskih korelacija.
U ovom se odjeljku raspravlja o toplinskim svojstvima nekovalentnih (LNP-SDBS) i kovalentnih (LNP-COOH) vodenih nanofluida pri tri različita masena udjela i Reynoldsovim brojevima kao prosjecima u odnosu na baznu tekućinu (DW).Za 7000 ≤ Re ≤ 17000 razmatraju se dvije geometrije izmjenjivača topline sa zavojnim remenom (kut zavojnice 45° i 90°).Slika 4 prikazuje prosječnu temperaturu na izlazu nanofluida u bazni fluid (DW) (\(\frac{{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{ DW } } \) ) na (0,025% težinski, 0,05% težinski i 0,1% težinski).(\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) je uvijek manji od 1, što znači da je izlazna temperatura je nekovalentna (VNP-SDBS) i kovalentna (VNP-COOH) nanotekućina ispod temperature na izlazu iz osnovne tekućine.Najniže i najveće smanjenje bilo je 0,1 wt%-COOH@GNPs i 0,1wt%-SDBS@GNPs, redom.Ova pojava je posljedica povećanja Reynoldsovog broja pri konstantnom masenom udjelu, što dovodi do promjene svojstava nanofluida (to jest, gustoće i dinamičke viskoznosti).
Slike 5 i 6 prikazuju prosječne karakteristike prijenosa topline nanofluida na bazni fluid (DW) na (0,025 wt.%, 0,05 wt.% i 0,1 wt.%).Prosječna svojstva prijenosa topline uvijek su veća od 1, što znači da su svojstva prijenosa topline nekovalentnih (LNP-SDBS) i kovalentnih (LNP-COOH) nanofluida poboljšana u usporedbi s baznim fluidom.0,1 wt%-COOH@GNPs i 0,1wt%-SDBS@GNPs postigli su najniži i najveći dobitak, redom.Kada se Reynoldsov broj poveća zbog većeg miješanja fluida i turbulencije u cijevi 1, učinak prijenosa topline se poboljšava.Tekućine kroz male raspore postižu veće brzine, što rezultira tanjim graničnim slojem brzina/toplina, što povećava brzinu prijenosa topline.Dodavanje više nanočestica osnovnoj tekućini može imati i pozitivne i negativne rezultate.Korisni učinci uključuju povećane sudare nanočestica, povoljne zahtjeve za toplinsku vodljivost tekućine i poboljšani prijenos topline.
Koeficijent prijenosa topline nanofluida u osnovni fluid ovisno o Reynoldsovom broju za cijevi od 45° i 90°.
Istodobno, negativan učinak je povećanje dinamičke viskoznosti nanofluida, što smanjuje pokretljivost nanofluida, čime se smanjuje prosječni Nusseltov broj (Nuavg).Povećana toplinska vodljivost nanofluida (ZNP-SDBS@DW) i (ZNP-COOH@DW) trebala bi biti posljedica Brownovog gibanja i mikrokonvekcije nanočestica grafena suspendiranih u DW37.Toplinska vodljivost nanofluida (ZNP-COOH@DV) veća je od one nanofluida (ZNP-SDBS@DV) i destilirane vode.Dodavanje više nanomaterijala osnovnoj tekućini povećava njihovu toplinsku vodljivost (Tablica 1)38.
Slika 7 ilustrira prosječni koeficijent trenja nanofluida s baznom tekućinom (DW) (f(NFs)/f(DW)) u masenim postocima (0,025%, 0,05% i 0,1%).Prosječni koeficijent trenja uvijek je ≈1, što znači da nekovalentni (GNF-SDBS@DW) i kovalentni (GNF-COOH@DW) nanofluidi imaju isti koeficijent trenja kao i osnovni fluid.Izmjenjivač topline s manje prostora stvara više prepreka protoku i povećava trenje protoka1.U osnovi, koeficijent trenja lagano raste s povećanjem masenog udjela nanofluida.Veći gubici trenjem uzrokovani su povećanom dinamičkom viskoznošću nanofluida i povećanim smičnim naprezanjem na površini s većim masenim postotkom nanografena u osnovnom fluidu.Tablica (1) pokazuje da je dinamička viskoznost nanofluida (ZNP-SDBS@DV) veća od dinamičke viskoznosti nanofluida (ZNP-COOH@DV) pri istom težinskom postotku, što je povezano s dodatkom površinskih učinaka.aktivnih tvari na nekovalentnoj nanotekućini.
Na sl.8 prikazuje nanofluid u usporedbi s baznim fluidom (DW) (\(\frac{{\Delta P}_{NFs}}{{\Delta P}_{DW}}\)) na (0,025%, 0,05% i 0,1% ).Nekovalentni (GNPs-SDBS@DW) nanofluid pokazao je veći prosječni gubitak tlaka, a s povećanjem masenog postotka na 2,04% za 0,025% wt., 2,46% za 0,05% wt.i 3,44% za 0,1% tež.s povećanjem kućišta (kut zavojnice 45° i 90°).U međuvremenu, nanofluid (GNPs-COOH@DW) pokazao je niži prosječni gubitak tlaka, povećavajući se s 1,31% na 0,025% wt.do 1,65% pri 0,05% tež.Prosječni gubitak tlaka od 0,05 wt.%-COOH@NP i 0,1 wt.%-COOH@NP je 1,65%.Kao što se može vidjeti, pad tlaka raste s povećanjem broja Re u svim slučajevima.Povećani pad tlaka pri visokim vrijednostima Re označen je izravnom ovisnošću o volumenskom protoku.Stoga veći Re broj u cijevi dovodi do većeg pada tlaka, što zahtijeva povećanje snage pumpe39,40.Osim toga, gubici tlaka su veći zbog većeg intenziteta vrtloga i turbulencija koje stvara veća površina, što povećava međudjelovanje sila tlaka i tromosti u graničnom sloju1.
Općenito, kriteriji procjene učinka (PEC) za nekovalentne (VNP-SDBS@DW) i kovalentne (VNP-COOH@DW) nanofluide prikazani su na sl.9. Nanofluid (ZNP-SDBS@DV) pokazao je veće PEC vrijednosti od (ZNP-COOH@DV) u oba slučaja (kut zavojnice 45° i 90°) i poboljšan je povećanjem masenog udjela, na primjer, 0,025 tež.%.je 1,17, 0,05 tež.% je 1,19 i 0,1 tež.% je 1,26.U međuvremenu, PEC vrijednosti korištenjem nanofluida (GNPs-COOH@DW) bile su 1,02 za 0,025 wt%, 1,05 za 0,05 wt%, 1,05 za 0,1 wt%.u oba slučaja (kut zavojnice 45° i 90°).1.02.U pravilu, s povećanjem Reynoldsovog broja, toplinsko-hidraulička učinkovitost značajno opada.Kako se Reynoldsov broj povećava, smanjenje termohidrauličkog koeficijenta učinkovitosti sustavno je povezano s povećanjem (NuNFs/NuDW) i smanjenjem (fNFs/fDW).
Hidrotermalna svojstva nanofluida u odnosu na bazne fluide ovisno o Reynoldsovim brojevima za cijevi s kutovima od 45° i 90°.
Ovaj odjeljak raspravlja o toplinskim svojstvima vode (DW), nekovalentnih (VNP-SDBS@DW) i kovalentnih (VNP-COOH@DW) nanofluida pri tri različite masene koncentracije i Reynoldsovog broja.Razmatrane su dvije geometrije izmjenjivača topline sa namotanim remenom u rasponu 7000 ≤ Re ≤ 17000 u odnosu na konvencionalne cijevi (kutovi spirale 45° i 90°) kako bi se procijenila prosječna toplinsko-hidraulička izvedba.Na sl.Slika 10 prikazuje temperaturu vode i nanofluida na izlazu kao prosjek koristeći (kut zavojnice 45° i 90°) za uobičajenu cijev (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{ {T} _{out}}_{Regular}}\)).Nekovalentni (GNP-SDBS@DW) i kovalentni (GNP-COOH@DW) nanofluidi imaju tri različite masene frakcije kao što su 0,025 wt%, 0,05 wt% i 0,1 wt%.Kao što je prikazano na sl.11, prosječna vrijednost izlazne temperature (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{{T}_{out}}_{Plain}}\)) > 1, što ukazuje da je (45° i 90° kut zavojnice) temperatura na izlazu iz izmjenjivača topline značajnija nego kod konvencionalne cijevi, zbog većeg intenziteta turbulencije i boljeg miješanja tekućine.Osim toga, temperatura na izlazu iz DW, nekovalentnih i kovalentnih nanofluida opadala je s povećanjem Reynoldsovog broja.Osnovni fluid (DW) ima najvišu srednju temperaturu na izlazu.U međuvremenu, najniža vrijednost odnosi se na 0,1 wt%-SDBS@GNPs.Nekovalentni (GNPs-SDBS@DW) nanofluidi pokazali su nižu prosječnu izlaznu temperaturu u usporedbi s kovalentnim (GNPs-COOH@DW) nanofluidima.Budući da upletena traka čini polje protoka mješovitijim, toplinski tok uz stijenku može lakše proći kroz tekućinu, povećavajući ukupnu temperaturu.Niži omjer uvijanja i trake rezultira boljim prodiranjem, a time i boljim prijenosom topline.S druge strane, može se vidjeti da smotana traka održava nižu temperaturu uza zid, što zauzvrat povećava Nuavg.Za umetke od upletene trake, viša Nuavg vrijednost ukazuje na poboljšani konvekcijski prijenos topline unutar cijevi22.Zbog povećanog protoka i dodatnog miješanja i turbulencije, vrijeme zadržavanja se povećava, što rezultira povećanjem temperature tekućine na izlazu41.
Reynoldsovi brojevi različitih nanofluida u odnosu na izlaznu temperaturu konvencionalnih cijevi (kutovi spirale od 45° i 90°).
Koeficijenti prijenosa topline (45° i 90° kut zavojnice) u odnosu na Reynoldsove brojeve za različite nanofluide u usporedbi s konvencionalnim cijevima.
Glavni mehanizam poboljšanog prijenosa topline namotane trake je sljedeći: 1. Smanjenje hidrauličkog promjera cijevi za izmjenu topline dovodi do povećanja brzine protoka i zakrivljenosti, što zauzvrat povećava smično naprezanje na stijenci i potiče sekundarno kretanje.2. Zbog začepljenja vrpce za namatanje povećava se brzina na stijenci cijevi, a smanjuje se debljina graničnog sloja.3. Spiralno strujanje iza upletenog remena dovodi do povećanja brzine.4. Inducirani vrtlozi poboljšavaju miješanje tekućine između središnjeg i pristijenskog područja toka42.Na sl.11 i sl.Slika 12 prikazuje svojstva prijenosa topline DW i nanofluida, na primjer (koeficijent prijenosa topline i prosječni Nusseltov broj) kao prosjeke korištenjem cijevi za umetanje upletene trake u usporedbi s konvencionalnim cijevima.Nekovalentni (GNP-SDBS@DW) i kovalentni (GNP-COOH@DW) nanofluidi imaju tri različite masene frakcije kao što su 0,025 wt%, 0,05 wt% i 0,1 wt%.U oba izmjenjivača topline (kut spirale 45° i 90°) prosječna izvedba prijenosa topline je >1, što ukazuje na poboljšanje koeficijenta prijenosa topline i prosječnog Nusseltova broja sa zavojnim cijevima u usporedbi s konvencionalnim cijevima.Nekovalentni (GNPs-SDBS@DW) nanofluidi pokazali su veće prosječno poboljšanje prijenosa topline nego kovalentni (GNPs-COOH@DW) nanofluidi.Pri Re = 900, 0,1 wt% poboljšanja u performansama prijenosa topline -SDBS@GNPs za dva izmjenjivača topline (45° i 90° kut spirale) bilo je najveće s vrijednošću od 1,90.To znači da je ujednačeni TP učinak važniji pri nižim brzinama fluida (Reynoldsov broj)43 i rastućem intenzitetu turbulencije.Zbog uvođenja višestrukih vrtloga, koeficijent prijenosa topline i prosječni Nusseltov broj TT cijevi su viši nego kod konvencionalnih cijevi, što rezultira tanjim graničnim slojem.Povećava li prisutnost HP intenzitet turbulencije, miješanje tokova radne tekućine i pojačan prijenos topline u odnosu na bazne cijevi (bez umetanja tord-uvrnute trake)21.
Prosječni Nusseltov broj (kut zavojnice 45° i 90°) u odnosu na Reynoldsov broj za različite nanofluide u usporedbi s konvencionalnim cijevima.
Slike 13 i 14 prikazuju prosječni koeficijent trenja (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain}}\)) i gubitak tlaka (\(\frac{{\Delta P} _ {Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\}} oko 45° i 90° za konvencionalne cijevi koje koriste DW nanofluide, (GNPs-SDBS@DW) i (GNPs-COOH@DW) ionski izmjenjivač sadrži ( 0,025 wt %, 0,05 wt % i 0,1 wt %). { {f}_{Plain} }\)) i gubitak tlaka (\(\frac{{ \Delta P}_{Twisted}}{{\Delta P }_{Plain}}\}) smanjenje. slučajevima, koeficijent trenja i gubitak tlaka veći su pri nižim Reynoldsovim brojevima. Prosječni koeficijent trenja i gubitak tlaka su između 3,78 i 3,12. Prosječni koeficijent trenja i gubitak tlaka pokazuju da (45° spirala kut i 90°) trošak izmjenjivača topline je tri puta veći od konvencionalnih cijevi.Osim toga, kada radna tekućina teče većom brzinom, koeficijent trenja se smanjuje.Problem nastaje jer kako se Reynoldsov broj povećava, debljina graničnog sloja se smanjuje. smanjuje, što dovodi do smanjenja učinka dinamičke viskoznosti na zahvaćeno područje, smanjenja gradijenata brzine i smičnih naprezanja te, posljedično, smanjenja koeficijenta trenja21.Poboljšani učinak blokiranja zbog prisutnosti TT i povećanog vrtloga rezultira značajno većim gubicima tlaka za heterogene TT cijevi nego za osnovne cijevi.Osim toga, i za osnovnu cijev i za TT cijev, može se vidjeti da pad tlaka raste s brzinom radnog fluida43.
Koeficijent trenja (45° i 90° kut zavojnice) u odnosu na Reynoldsov broj za različite nanofluide u usporedbi s konvencionalnim cijevima.
Gubitak tlaka (45° i 90° kut spirale) kao funkcija Reynoldsovog broja za različite nanofluide u odnosu na konvencionalnu cijev.
Ukratko, slika 15 prikazuje kriterije za ocjenu performansi (PEC) za izmjenjivače topline s kutovima od 45° i 90° u usporedbi s običnim cijevima (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}} \ ) ) u (0,025 wt.%, 0,05 wt.% i 0,1 wt.%) korištenjem DV, (VNP-SDBS@DV) i kovalentnih (VNP-COOH@DV) nanofluida.Vrijednost (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) > 1 u oba slučaja (45° i 90° kut spirale) u izmjenjivaču topline.Osim toga, (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) postiže svoju najbolju vrijednost pri Re = 11 000.Izmjenjivač topline od 90° pokazuje blago povećanje (\ (\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) u usporedbi s izmjenjivačem topline od 45°., Na Re = 11 000 0,1 wt%-GNPs@SDBS predstavlja više (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) vrijednosti, npr. 1,25 za kut izmjenjivača topline od 45° i 1,27 za kutni izmjenjivač topline od 90°.Veći je od jedan u svim postocima masenog udjela, što ukazuje da su cijevi s umetcima od upletene trake superiornije od konvencionalnih cijevi.Značajno je da je poboljšani prijenos topline koji omogućuju umeci trake rezultirao značajnim povećanjem gubitaka zbog trenja22.
Kriteriji učinkovitosti za Reynoldsov broj različitih nanofluida u odnosu na konvencionalne cijevi (45° i 90° kut spirale).
Dodatak A prikazuje strujne linije za izmjenjivače topline od 45° i 90° pri Re = 7000 koristeći DW, 0,1 wt%-GNP-SDBS@DW i 0,1 wt%-GNP-COOH@DW.Strujnice u poprečnoj ravnini najupečatljivija su značajka učinka upletenih vrpčastih umetaka na glavni tok.Korištenje izmjenjivača topline od 45° i 90° pokazuje da je brzina u području uz zid približno ista.U međuvremenu, Dodatak B prikazuje konture brzine za izmjenjivače topline od 45° i 90° pri Re = 7000 koristeći DW, 0,1 wt%-GNP-SDBS@DW i 0,1 wt%-GNP-COOH@DW.Petlje brzine nalaze se na tri različite lokacije (odsječke), na primjer, Plain-1 (P1 = −30 mm), Plain-4 (P4 = 60 mm) i Plain-7 (P7 = 150 mm).Brzina protoka u blizini stijenke cijevi je najmanja, a brzina fluida raste prema središtu cijevi.Osim toga, pri prolasku kroz zračni kanal povećava se područje malih brzina u blizini zida.To je zbog rasta hidrodinamičkog graničnog sloja, koji povećava debljinu područja niske brzine u blizini stijenke.Dodatno, povećanje Reynoldsovog broja povećava ukupnu razinu brzine u svim presjecima, čime se smanjuje debljina područja niske brzine u kanalu39.
Kovalentno i nekovalentno funkcionalizirani grafenski nanoplohe procijenjene su u umetcima od upletene trake s kutovima spirale od 45° i 90°.Izmjenjivač topline je numerički riješen korištenjem SST k-omega modela turbulencije na 7000 ≤ Re ≤ 17000. Termofizična svojstva izračunata su na Tin = 308 K. Istovremeno zagrijavajte stijenku upletene cijevi na konstantnoj temperaturi od 330 K. COOH@DV) je razrijeđen u tri masene količine, na primjer (0,025 tež.%, 0,05 tež.% i 0,1 tež.%).Trenutna studija razmatra šest glavnih čimbenika: izlaznu temperaturu, koeficijent prijenosa topline, prosječni Nusseltov broj, koeficijent trenja, gubitak tlaka i kriterije za ocjenu učinka.Evo glavnih nalaza:
Prosječna izlazna temperatura (\({{T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) uvijek je manja od 1, što znači da bez širenja Izlazna temperatura valentnih (ZNP-SDBS@DV) i kovalentnih (ZNP-COOH@DV) nanofluida niža je od temperature osnovne tekućine.U međuvremenu, vrijednost prosječne izlazne temperature (\({{T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\)) > 1, što ukazuje na činjenica da je (45° i 90° kut spirale) izlazna temperatura viša nego kod konvencionalnih cijevi.
U oba slučaja, prosječne vrijednosti svojstava prijenosa topline (nanofluid/bazna tekućina) i (upletena cijev/normalna cijev) uvijek pokazuju >1.Nekovalentni (GNPs-SDBS@DW) nanofluidi pokazali su veće prosječno povećanje prijenosa topline, što odgovara kovalentnim (GNPs-COOH@DW) nanofluidima.
Prosječni koeficijent trenja (\({f}_{Nanofluids}/{f}_{Basefluid}\)) nekovalentnih (VNP-SDBS@DW) i kovalentnih (VNP-COOH@DW) nanofluida uvijek je ≈1 .trenje nekovalentnih (ZNP-SDBS@DV) i kovalentnih (ZNP-COOH@DV) nanofluida (\({f}_{Twisted}/{f}_{Plain}\)) za uvijek > 3.
U oba slučaja (45° i 90° kut spirale), nanofluidi (GNPs-SDBS@DW) pokazali su više (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) 0,025 tež.% za 2,04%, 0,05 tež.% za 2,46% i 0,1 tež.% za 3,44%.U međuvremenu, (GNPs-COOH@DW) nanofluidi pokazali su niže (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) od 1,31% za 0,025 wt.% na 1,65% je 0,05 % težine.Osim toga, prosječni gubitak tlaka (\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\) nekovalentnog (GNPs-SDBS@DW) i kovalentnog (GNPs-COOH@DW) ))) nanofluidi uvijek >3.
U oba slučaja (kut spirale od 45° i 90°), nanofluidi (GNPs-SDBS@DW) pokazali su višu (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC} _{Basefluid}\)) @DW vrijednost) , npr. 0,025 tež.% – 1,17, 0,05 tež.% – 1,19, 0,1 tež.% – 1,26.U ovom slučaju, vrijednosti (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\)) korištenjem (GNPs-COOH@DW) nanofluida su 1,02 za 0,025 wt.%, 1,05 za 0 , 05 mas.% i 1,02 je 0,1 % težinski.Osim toga, pri Re = 11 000, 0,1 wt%-GNPs@SDBS pokazalo je više vrijednosti (\({PEC}_{Twisted}/{PEC}_{Plain}\)), kao što je 1,25 za kut spirale od 45° a kut zavojnice od 90° 1,27.
Thianpong, C. i sur.Višenamjenska optimizacija protoka nanofluida titan dioksid/voda u izmjenjivaču topline, poboljšana umetcima od upletene trake s delta krilcima.unutarnji J. Hot.znanost.172, 107318 (2022).
Langerudi, HG i Jawaerde, C. Eksperimentalna studija ne-Newtonovog protoka fluida u mijehovima u koje su umetnute tipične upletene trake u obliku slova V.Prijenos topline i mase 55, 937–951 (2019).
Dong, X. i sur.Eksperimentalno istraživanje karakteristika prijenosa topline i otpora protoka spiralno upletenog cjevastog izmjenjivača topline [J].Temperatura primjene.projekt.176, 115397 (2020).
Yongsiri, K., Eiamsa-Ard, P., Wongcharee, K. & Eiamsa-Ard, SJCS Poboljšani prijenos topline u turbulentnom protoku kanala s kosim odvajajućim rebrima.tematska istraživanja.temperatura.projekt.3, 1–10 (2014).
Vrijeme objave: 17. ožujka 2023