Химически компонент на намотка от неръждаема стомана 304, Термодинамичен анализ на ковалентно и нековалентно функционализирани графенови нанолистове в кръгли тръби, оборудвани с турбулатори

Благодарим ви, че посетихте Nature.com.Използвате версия на браузър с ограничена поддръжка на CSS.За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer).Освен това, за да осигурим постоянна поддръжка, показваме сайта без стилове и JavaScript.
Плъзгачи, показващи три статии на слайд.Използвайте бутоните за връщане назад и напред, за да се движите през слайдовете, или бутоните за управление на плъзгачите в края, за да се движите през всеки слайд.

304 10*1 mm спираловидна тръба от неръждаема стомана в Китай

Размер: 3/4 инча, 1/2 инча, 1 инча, 3 инча, 2 инча

Дължина на тръбата на уреда: 6 метра

Степен на стомана: 201, 304 И 316

Степен: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,

Материал: НЕРЪЖДАЕМА СТОМАНА

Състояние: Ново

Ковалентни и нековалентни нанофлуиди бяха тествани в кръгли тръби, оборудвани с усукани лентови вложки с ъгли на спиралата от 45° и 90°.Числото на Рейнолдс беше 7000 ≤ Re ≤ 17000, термофизичните свойства бяха оценени при 308 K. Физическият модел се решава числено с помощта на двупараметърен модел на турбулентен вискозитет (SST k-omega турбулентност).Концентрациите (0.025 wt.%, 0.05 wt.% и 0.1 wt.%) на нанофлуидите ZNP-SDBS@DV и ZNP-COOH@DV бяха разгледани в работата.Стените на усуканите тръби се нагряват при постоянна температура от 330 К. В настоящото изследване бяха взети предвид шест параметъра: температура на изхода, коефициент на топлопреминаване, средно число на Нуселт, коефициент на триене, загуба на налягане и критерии за оценка на ефективността.И в двата случая (ъгъл на спиралата от 45 ° и 90 °), нанофлуидът ZNP-SDBS@DV показа по-високи термично-хидравлични характеристики от ZNP-COOH@DV и се увеличи с увеличаване на масовата част, например 0,025 тегл.и 0,05 тегл.е 1,19.% и 1,26 – 0,1 тегл.%.И в двата случая (ъгъл на спиралата 45° и 90°), стойностите на термодинамичните характеристики при използване на GNP-COOH@DW са 1,02 за 0,025% тегл., 1,05 за 0,05% тегл.и 1.02 за 0.1% тегл.
Топлообменникът е термодинамично устройство 1, използвано за пренос на топлина по време на операции на охлаждане и отопление.Термохидравличните свойства на топлообменника подобряват коефициента на топлопреминаване и намаляват съпротивлението на работния флуид.Разработени са няколко метода за подобряване на преноса на топлина, включително подобрители на турбулентността2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 и нанофлуиди12,13,14,15.Вмъкването на усукана лента е един от най-успешните методи за подобряване на преноса на топлина в топлообменниците поради лесната му поддръжка и ниската цена7,16.
В серия от експериментални и изчислителни изследвания бяха изследвани хидротермалните свойства на смеси от нанофлуиди и топлообменници с вложки от усукана лента.В експериментална работа хидротермалните свойства на три различни метални нанофлуида (Ag@DW, Fe@DW и Cu@DW) бяха изследвани в топлообменник с иглоусукана лента (STT)17.В сравнение с основната тръба, коефициентът на топлопреминаване на STT е подобрен с 11% и 67%.Разположението на SST е най-доброто от икономическа гледна точка по отношение на ефективността с параметър α = β = 0,33.В допълнение, 18,2% увеличение на n се наблюдава с Ag@DW, въпреки че максималното увеличение на загубата на налягане е само 8,5%.Физическите процеси на пренос на топлина и загуба на налягане в концентрични тръби със и без навити турбулатори бяха изследвани с помощта на турбулентни потоци от нанофлуид Al2O3@DW с принудителна конвекция.Максималното средно число на Нуселт (Nuavg) и загуба на налягане се наблюдават при Re = 20 000, когато стъпката на намотката е = 25 mm и Al2O3@DW нанофлуид 1,6 vol.%.Проведени са и лабораторни изследвания за изследване на характеристиките на пренос на топлина и загуба на налягане на нанофлуиди от графенов оксид (GO@DW), протичащи през почти кръгли тръби с WC вложки.Резултатите показват, че 0,12 vol%-GO@DW повишава коефициента на конвективен топлопренос с около 77%.В друго експериментално изследване са разработени нанофлуиди (TiO2@DW) за изследване на термично-хидравличните характеристики на тръби с трапчинки, снабдени с вложки от усукана лента20.Максималната хидротермална ефективност от 1,258 беше постигната при използване на 0,15 vol%-TiO2@DW, вграден в наклонени на 45° шахти с коефициент на усукване 3,0.Еднофазните и двуфазните (хибридни) симулационни модели отчитат потока и преноса на топлина на CuO@DW нанофлуиди при различни концентрации на твърди вещества (1–4% vol.%)21.Максималната топлинна ефективност на тръба, поставена с една усукана лента, е 2,18, а тръба, поставена с две усукани ленти при същите условия е 2,04 (двуфазен модел, Re = 36 000 и 4 об.%).Изследван е ненютоновият турбулентен нанофлуиден поток от карбоксиметилцелулоза (CMC) и меден оксид (CuO) в главни тръби и тръби с усукани вложки.Nuavg показва подобрение от 16,1% (за главния тръбопровод) и 60% (за навития тръбопровод със съотношение (H/D = 5)).Обикновено по-ниското съотношение на усукване към лента води до по-висок коефициент на триене.В експериментално изследване ефектът на тръби с усукана лента (TT) и намотки (VC) върху свойствата на топлопреминаване и коефициента на триене е изследван с помощта на нанофлуиди CuO@DW.Използвайки 0,3 об.%-CuO@DW при Re = 20 000 прави възможно увеличаването на топлопреминаването в тръбата VK-2 до максимална стойност от 44,45%.В допълнение, когато се използва кабел с усукана двойка и вложка на намотка при едни и същи гранични условия, коефициентът на триене се увеличава с фактори от 1,17 и 1,19 в сравнение с DW.Като цяло топлинната ефективност на нанофлуидите, вмъкнати в намотки, е по-добра от тази на нанофлуидите, вмъкнати в многожилни проводници.Обемната характеристика на турбулентен (MWCNT@DW) нанофлуиден поток беше изследвана вътре в хоризонтална тръба, вкарана в спираловидна тел.Параметрите на топлинната ефективност са > 1 за всички случаи, което показва, че комбинацията от нанофлуиди с вложката на намотката подобрява преноса на топлина, без да се консумира мощност на помпата.Резюме — Изследвани са хидротермичните характеристики на двутръбен топлообменник с различни вложки от модифицирана усукана V-образна лента (VcTT) в условия на турбулентен поток от нанофлуид Al2O3 + TiO2@DW.В сравнение с DW в основни тръби, Nuavg има значително подобрение от 132% и коефициент на триене до 55%.Освен това беше обсъдена енергийната ефективност на нанокомпозита Al2O3+TiO2@DW в двутръбен топлообменник26.В своето проучване те установиха, че използването на Al2O3 + TiO2@DW и TT подобрява ексергийната ефективност в сравнение с DW.В концентрични тръбни топлообменници с турбулатори VcTT, Singh и Sarkar27 използват материали за промяна на фазата (PCM), диспергирани единични/нанокомпозитни нанофлуиди (Al2O3@DW с PCM и Al2O3 + PCM).Те съобщават, че преносът на топлина и загубата на налягане се увеличават, когато коефициентът на усукване намалява и концентрацията на наночастиците се увеличава.По-голям коефициент на дълбочина на V-образен прорез или по-малък коефициент на ширина може да осигури по-голям пренос на топлина и загуба на налягане.В допълнение, графен-платина (Gr-Pt) е използвана за изследване на топлината, триенето и общата скорост на генериране на ентропия в тръби с 2-TT28 вложки.Тяхното проучване показа, че по-малък процент от (Gr-Pt) значително намалява генерирането на топлинна ентропия в сравнение с относително по-високо развитие на ентропия на триене.Смесените нанофлуиди Al2O3@MgO и коничен WC могат да се считат за добра смес, тъй като повишеното съотношение (h/Δp) може да подобри хидротермалната производителност на двутръбен топлообменник 29.Числен модел се използва за оценка на енергоспестяващите и екологичните характеристики на топлообменниците с различни хибридни нанофлуиди от три части (THNF) (Al2O3 + графен + MWCNT), суспендирани в DW30.Поради своите критерии за оценка на ефективността (PEC) в диапазона 1,42–2,35, е необходима комбинация от вдлъбната усукана турбулизационна вложка (DTTI) и (Al2O3 + графен + MWCNT).
Досега малко внимание се обръща на ролята на ковалентната и нековалентната функционализация в хидродинамичния поток в топлинни течности.Специфичната цел на това изследване беше да се сравнят термично-хидравличните характеристики на нанофлуидите (ZNP-SDBS@DV) и (ZNP-COOH@DV) в усукани лентови вложки с ъгли на спиралата от 45° и 90°.Термофизичните свойства бяха измерени при Tin = 308 K. В този случай три масови фракции бяха взети предвид в процеса на сравнение, като (0.025 wt.%, 0.05 wt.% и 0.1 wt.%).Прехвърлянето на напрежението на срязване в 3D модела на турбулентния поток (SST k-ω) се използва за решаване на термохидравличните характеристики.По този начин това изследване има значителен принос към изследването на положителните свойства (пренос на топлина) и отрицателните свойства (спад на налягането при триене), демонстрирайки термично-хидравличните характеристики и оптимизирането на реалните работни течности в такива инженерни системи.
Основната конфигурация е гладка тръба (L = 900 mm и Dh = 20 mm).Размери на поставената усукана лента (дължина = 20 мм, дебелина = 0,5 мм, профил = 30 мм).В този случай дължината, ширината и ходът на спиралния профил бяха съответно 20 mm, 0,5 mm и 30 mm.Усуканите ленти са наклонени на 45° и 90°.Различни работни течности като DW, нековалентни нанофлуиди (GNF-SDBS@DW) и ковалентни нанофлуиди (GNF-COOH@DW) при Tin = 308 K, три различни масови концентрации и различни числа на Рейнолдс.Тестовете бяха проведени вътре в топлообменника.Външната стена на спиралната тръба се нагрява при постоянна температура на повърхността от 330 K, за да се тестват параметрите за подобряване на топлообмена.
На фиг.1 схематично показва тръба за вкарване на усукана лента с приложими гранични условия и мрежеста област.Както бе споменато по-рано, граничните условия на скоростта и налягането се прилагат към входната и изходната част на спиралата.При постоянна повърхностна температура на стената на тръбата се налага неплъзгащо състояние.Текущата числена симулация използва решение, базирано на налягане.В същото време се използва програма (ANSYS FLUENT 2020R1) за преобразуване на частично диференциално уравнение (PDE) в система от алгебрични уравнения, използвайки метода на крайния обем (FMM).Методът SIMPLE от втори ред (полуимплицитен метод за последователни уравнения, зависещи от налягането) е свързан със скорост-налягане.Трябва да се подчертае, че конвергенцията на остатъците за уравненията за маса, импулс и енергия е по-малка от 103 и 106, съответно.
p Диаграма на физически и изчислителни области: (a) ъгъл на спиралата 90°, (b) ъгъл на спиралата 45°, (c) без спирално острие.
Използва се хомогенен модел за обяснение на свойствата на нанофлуидите.Чрез включването на наноматериали в базовата течност (DW) се образува непрекъсната течност с отлични топлинни свойства.В това отношение температурата и скоростта на базовата течност и наноматериала имат еднаква стойност.Поради горните теории и предположения, ефективният еднофазен поток работи в това изследване.Няколко проучвания демонстрират ефективността и приложимостта на еднофазни техники за нанофлуиден поток31,32.
Потокът от нанофлуиди трябва да бъде Нютонов турбулентен, несвиваем и стационарен.Компресионната работа и вискозното нагряване са без значение в това изследване.Освен това не се взема предвид дебелината на вътрешната и външната стена на тръбата.Следователно уравненията за запазване на масата, импулса и енергията, които определят топлинния модел, могат да бъдат изразени по следния начин:
където \(\overrightarrow{V}\) е векторът на средната скорост, Keff = K + Kt е ефективната топлопроводимост на ковалентни и нековалентни нанофлуиди, а ε е скоростта на разсейване на енергията.Ефективните термофизични свойства на нанофлуидите, включително плътност (ρ), вискозитет (μ), специфичен топлинен капацитет (Cp) и топлопроводимост (k), показани в таблицата, са измерени по време на експериментално изследване при температура от 308 K1, когато се използва в тези симулатори.
Числени симулации на турбулентен нанофлуиден поток в конвенционални и ТТ тръби бяха извършени при числа на Рейнолдс 7000 ≤ Re ≤ 17000. Тези симулации и коефициенти на конвективен топлопренос бяха анализирани с помощта на κ-ω турбулентен модел на Ментор за трансфер на напрежение на срязване (SST), осреднен за турбуленцията на Рейнолдс модел Navier-Stokes, често използван в аеродинамичните изследвания.В допълнение, моделът работи без функция за стена и е точен близо до стени 35,36.(SST) κ-ω управляващите уравнения на модела на турбулентността са както следва:
където \(S\) е стойността на скоростта на деформация, а \(y\) е разстоянието до съседната повърхност.Междувременно \({\alpha}_{1}\), \({\alpha}_{2}\), \({\beta}_{1}\), \({\beta}_{ 2 }\), \({\beta}^{*}\), \({\sigma}_{{k}_{1}}\), \({\sigma}_{{k}_{ 2 }}\), \({\sigma}_{{\omega}_{1}}\) и \({\sigma}_{{\omega}_{2}}\) означават всички константи на модела.F1 и F2 са смесени функции.Забележка: F1 = 1 в граничния слой, 0 в насрещния поток.
Параметрите за оценка на ефективността се използват за изследване на турбулентен конвективен пренос на топлина, ковалентен и нековалентен нанофлуиден поток, например31:
В този контекст (\(\rho\)), (\(v\)), (\({D}_{h}\)) и (\(\mu\)) се използват за плътност, скорост на флуида , хидравличен диаметър и динамичен вискозитет.(\({C}_{p}\, \mathrm{u}\, k\)) – специфичен топлинен капацитет и топлопроводимост на протичащия флуид.Също така, (\(\dot{m}\)) се отнася за масовия поток, а (\({T}_{out}-{T}_{in}\)) се отнася за температурната разлика на входа и изхода.(NFs) се отнася до ковалентни, нековалентни нанофлуиди, а (DW) се отнася до дестилирана вода (основна течност).\({A}_{s} = \pi DL\), \({\overline{T}}_{f}=\frac{\left({T}_{out}-{T}_{in }\right)}{2}\) и \({\overline{T}}_{w}=\sum \frac{{T}_{w}}{n}\).
Термофизичните свойства на базовия флуид (DW), нековалентен нанофлуид (GNF-SDBS@DW) и ковалентен нанофлуид (GNF-COOH@DW) са взети от публикуваната литература (експериментални изследвания), Sn = 308 K, като показано в Таблица 134. В типичен експеримент за получаване на нековалентен (GNP-SDBS@DW) нанофлуид с известни масови проценти, някои грамове първични БНП първоначално бяха претеглени на цифрова везна.Тегловното съотношение на SDBS/местен БНП е (0,5:1), претеглено в DW.В този случай ковалентни (COOH-GNP@DW) нанофлуиди бяха синтезирани чрез добавяне на карбоксилни групи към повърхността на GNP, използвайки силно кисела среда с обемно съотношение (1:3) на HNO3 и H2SO4.Ковалентни и нековалентни нанофлуиди се суспендират в DW при три различни тегловни процента като 0,025 тегл.%, 0,05 тегл.%.и 0,1% от масата.
Тестовете за независимост на мрежата бяха проведени в четири различни изчислителни области, за да се гарантира, че размерът на мрежата не влияе на симулацията.В случай на торсионна тръба 45°, броят на единиците с размер на единица 1,75 mm е 249 033, броят на единиците с размер на единица 2 mm е 307 969, броят на единиците с размер на единица 2,25 mm е 421 406, а броят на единиците с единичен размер 2 ,5 мм 564 940 респ.В допълнение, в примера на 90° усукана тръба, броят на елементите с размер на елемента 1,75 mm е 245 531, броят на елементите с размер на елемента 2 mm е 311 584, броят на елементите с размер на елемента 2,25 mm е 422 708, а броят на елементите с размер на елемента 2,5 mm е съответно 573 826.Точността на показанията на термичните свойства като (Tout, htc и Nuavg) се увеличава с намаляване на броя на елементите.В същото време точността на стойностите на коефициента на триене и спада на налягането показаха напълно различно поведение (фиг. 2).Решетка (2) беше използвана като основна област на мрежата за оценка на термично-хидравличните характеристики в симулирания случай.
Тестване на ефективността на пренос на топлина и падане на налягането независимо от мрежата с помощта на двойки DW тръби, усукани на 45° и 90°.
Настоящите числени резултати са валидирани за производителност на топлопренос и коефициент на триене с помощта на добре известни емпирични корелации и уравнения като Dittus-Belter, Petukhov, Gnelinsky, Notter-Rouse и Blasius.Сравнението беше извършено при условие 7000≤Re≤17000.Съгласно фиг.3, средните и максималните грешки между резултатите от симулацията и уравнението за пренос на топлина са 4,050 и 5,490% (Дитус-Белтер), 9,736 и 11,33% (Петухов), 4,007 и 7,483% (Гнелински) и 3,883% и 4,937% ( Нот-Белтер).роза).В този случай средната и максималната грешка между резултатите от симулацията и уравнението на коефициента на триене са съответно 7,346% и 8,039% (Blasius) и 8,117% и 9,002% (Petukhov).
Пренос на топлина и хидродинамични свойства на DW при различни числа на Рейнолдс с помощта на числени изчисления и емпирични корелации.
Този раздел обсъжда термичните свойства на нековалентни (LNP-SDBS) и ковалентни (LNP-COOH) водни нанофлуиди при три различни масови фракции и числа на Рейнолдс като средни стойности спрямо основния флуид (DW).Обсъждат се две геометрии на топлообменници със спирална лента (ъгъл на спиралата 45° и 90°) за 7000 ≤ Re ≤ 17000. На фиг.4 показва средната температура на изхода на нанофлуида в основния флуид (DW) (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{ DW } } \) ) при (0,025% тегл., 0,05% тегл. и 0,1% тегл.).(\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) винаги е по-малко от 1, което означава, че температурата на изхода е нековалентен (VNP-SDBS), а ковалентният (VNP-COOH) нанофлуид е под температурата на изхода на основната течност.Най-ниското и най-високото намаление бяха съответно 0,1 wt%-COOH@GNPs и 0,1wt%-SDBS@GNPs.Това явление се дължи на увеличаване на числото на Рейнолдс при постоянна масова част, което води до промяна в свойствата на нанофлуида (т.е. плътност и динамичен вискозитет).
Фигури 5 и 6 показват средните характеристики на топлопреминаване на нанофлуида към основния флуид (DW) при (0,025 тегл.%, 0,05 тегл.% и 0,1 тегл.%).Средните свойства на топлопреминаване винаги са по-големи от 1, което означава, че свойствата на топлопреминаване на нековалентните (LNP-SDBS) и ковалентните (LNP-COOH) нанофлуиди са подобрени в сравнение с основния флуид.0,1 wt%-COOH@GNPs и 0,1wt%-SDBS@GNPs постигнаха съответно най-ниската и най-високата печалба.Когато числото на Рейнолдс се увеличи поради по-голямо смесване на течности и турбуленция в тръбата 1, ефективността на топлопреноса се подобрява.Флуидите през малки процепи достигат по-високи скорости, което води до по-тънък граничен слой скорост/топлина, което увеличава скоростта на пренос на топлина.Добавянето на повече наночастици към основната течност може да има както положителни, така и отрицателни резултати.Благоприятните ефекти включват увеличени сблъсъци на наночастици, благоприятни изисквания за топлопроводимост на флуида и подобрен пренос на топлина.
Коефициент на топлопреминаване на нанофлуид към основен флуид в зависимост от числото на Рейнолдс за 45° и 90° тръби.
В същото време отрицателен ефект е увеличаването на динамичния вискозитет на нанофлуида, което намалява мобилността на нанофлуида, като по този начин намалява средното число на Нуселт (Nuavg).Повишената топлопроводимост на нанофлуидите (ZNP-SDBS@DW) и (ZNP-COOH@DW) трябва да се дължи на брауновото движение и микроконвекцията на графеновите наночастици, суспендирани в DW37.Топлинната проводимост на нанофлуида (ZNP-COOH@DV) е по-висока от тази на нанофлуида (ZNP-SDBS@DV) и дестилираната вода.Добавянето на повече наноматериали към основния флуид увеличава тяхната топлопроводимост (Таблица 1)38.
Фигура 7 илюстрира средния коефициент на триене на нанофлуиди с базова течност (DW) (f(NFs)/f(DW)) в масови проценти (0,025%, 0,05% и 0,1%).Средният коефициент на триене винаги е ≈1, което означава, че нековалентните (GNF-SDBS@DW) и ковалентните (GNF-COOH@DW) нанофлуиди имат същия коефициент на триене като основния флуид.Топлообменник с по-малко пространство създава повече препятствия на потока и увеличава триенето на потока1.По принцип коефициентът на триене се увеличава леко с увеличаване на масовата част на нанофлуида.По-високите загуби от триене се дължат на увеличения динамичен вискозитет на нанофлуида и повишеното напрежение на срязване на повърхността с по-висок масов процент на нанографен в основния флуид.Таблица (1) показва, че динамичният вискозитет на нанофлуида (ZNP-SDBS@DV) е по-висок от този на нанофлуида (ZNP-COOH@DV) при същия тегловен процент, което е свързано с добавянето на повърхностни ефекти.активни агенти върху нековалентен нанофлуид.
На фиг.8 показва нанофлуид в сравнение с базов флуид (DW) (\(\frac{{\Delta P}_{NFs}}{{\Delta P}_{DW}}\)) при (0,025%, 0,05% и 0,1% ).Нековалентният (GNPs-SDBS@DW) нанофлуид показва по-висока средна загуба на налягане и с увеличение на масовия процент до 2,04% за 0,025% тегл., 2,46% за 0,05% тегл.и 3,44% за 0,1% тегл.с уголемяване на корпуса (ъгъл на спиралата 45° и 90°).Междувременно нанофлуидът (GNPs-COOH@DW) показа по-ниска средна загуба на налягане, нарастваща от 1,31% при 0,025% тегл.до 1,65% при 0,05% тегл.Средната загуба на налягане от 0,05 тегл.%-COOH@NP и 0,1 тегл.%-COOH@NP е 1,65%.Както може да се види, спадът на налягането нараства с увеличаване на числото Re във всички случаи.Повишеният спад на налягането при високи стойности на Re се обозначава с пряка зависимост от обемния поток.Следователно, по-високото число Re в тръбата води до по-висок спад на налягането, което изисква увеличаване на мощността на помпата39,40.В допълнение, загубите на налягане са по-високи поради по-високия интензитет на вихрите и турбулентността, генерирани от по-голямата повърхност, което увеличава взаимодействието на налягането и инерционните сили в граничния слой1.
Като цяло, критериите за оценка на ефективността (PEC) за нековалентни (VNP-SDBS@DW) и ковалентни (VNP-COOH@DW) нанофлуиди са показани на фиг.9. Нанофлуидът (ZNP-SDBS@DV) показа по-високи стойности на PEC от (ZNP-COOH@DV) и в двата случая (ъгъл на спиралата 45° и 90°) и беше подобрен чрез увеличаване на масовата фракция, например 0,025 тегл.%.е 1,17, 0,05 тегл.% е 1,19 и 0,1 тегл.% е 1,26.Междувременно стойностите на PEC при използване на нанофлуиди (GNPs-COOH@DW) бяха 1,02 за 0,025 wt%, 1,05 за 0,05 wt%, 1,05 за 0,1 wt%.и в двата случая (ъгъл на спиралата 45° и 90°).1.02.Като правило, с увеличаване на числото на Рейнолдс, термично-хидравличната ефективност намалява значително.Тъй като числото на Рейнолдс се увеличава, намаляването на коефициента на термична-хидравлична ефективност е системно свързано с увеличаване на (NuNFs/NuDW) и намаляване на (fNFs/fDW).
Хидротермални свойства на нанофлуидите по отношение на базовите флуиди в зависимост от числата на Рейнолдс за тръби с ъгли 45° и 90°.
Този раздел обсъжда топлинните свойства на вода (DW), нековалентни (VNP-SDBS@DW) и ковалентни (VNP-COOH@DW) нанофлуиди при три различни масови концентрации и числа на Рейнолдс.Бяха взети под внимание две геометрии на топлообменник със спирална лента в диапазона 7000 ≤ Re ≤ 17000 по отношение на конвенционалните тръби (ъгли на спиралата 45° и 90°), за да се оцени средната термично-хидравлична производителност.На фиг.10 показва температурата на водата и нанофлуидите на изхода като средна стойност, като се използва (ъгъл на спиралата 45° и 90°) за обща тръба (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{ {T} _{out}}_{Regular}}\)).Нековалентните (GNP-SDBS@DW) и ковалентните (GNP-COOH@DW) нанофлуиди имат три различни тегловни фракции като 0,025 тегл.%, 0,05 тегл.% и 0,1 тегл.%.Както е показано на фиг.11, средната стойност на температурата на изхода (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{{T}_{out}}_{Plain}}\)) > 1, което показва, че (45° и 90° ъгъл на спиралата) температурата на изхода на топлообменника е по-значима от тази на конвенционална тръба, поради по-големия интензитет на турбуленцията и по-доброто смесване на течността.В допълнение, температурата на изхода на DW, нековалентните и ковалентните нанофлуиди намалява с увеличаване на числото на Рейнолдс.Основният флуид (DW) има най-високата средна изходяща температура.Междувременно най-ниската стойност се отнася за 0,1 тегл.%-SDBS@GNPs.Нековалентните (GNPs-SDBS@DW) нанофлуиди показват по-ниска средна изходна температура в сравнение с ковалентните (GNPs-COOH@DW) нанофлуиди.Тъй като усуканата лента прави полето на потока по-смесено, топлинният поток близо до стената може по-лесно да премине през течността, повишавайки общата температура.По-ниското съотношение усукване към лента води до по-добро проникване и следователно по-добър топлопренос.От друга страна се вижда, че навитата лента поддържа по-ниска температура спрямо стената, което от своя страна увеличава Nuavg.За вложки с усукана лента, по-висока стойност Nuavg показва подобрен конвективен топлопренос в тръбата22.Поради увеличения път на потока и допълнително смесване и турбулентност, времето на престой се увеличава, което води до повишаване на температурата на течността на изхода41.
Числата на Рейнолдс на различни нанофлуиди спрямо изходната температура на конвенционалните тръби (45° и 90° ъгли на спиралата).
Коефициенти на топлопреминаване (45° и 90° ъгъл на спиралата) спрямо числата на Рейнолдс за различни нанофлуиди в сравнение с конвенционалните тръби.
Основният механизъм на подобрения топлопренос на навита лента е както следва: 1. Намаляването на хидравличния диаметър на топлообменната тръба води до увеличаване на скоростта на потока и кривината, което от своя страна увеличава напрежението на срязване в стената и насърчава вторичното движение.2. Поради блокиране на лентата за навиване, скоростта на стената на тръбата се увеличава и дебелината на граничния слой намалява.3. Спиралният поток зад усуканата лента води до увеличаване на скоростта.4. Индуцираните вихри подобряват смесването на флуидите между централните и близките до стените области на потока42.На фиг.11 и фиг.12 показва свойствата на топлопреминаване на DW и нанофлуиди, например (коефициент на топлопреминаване и средно число на Нуселт) като средни стойности при използване на усукани лентови тръби за вмъкване в сравнение с конвенционалните тръби.Нековалентните (GNP-SDBS@DW) и ковалентните (GNP-COOH@DW) нанофлуиди имат три различни тегловни фракции като 0,025 тегл.%, 0,05 тегл.% и 0,1 тегл.%.И в двата топлообменника (45° и 90° ъгъл на спиралата) средната производителност на топлопреминаване е >1, което показва подобрение в коефициента на топлопреминаване и средното число на Нуселт със спираловидни тръби в сравнение с конвенционалните тръби.Нековалентните (GNPs-SDBS@DW) нанофлуиди показват по-високо средно подобрение на преноса на топлина от ковалентните (GNPs-COOH@DW) нанофлуиди.При Re = 900, подобрението с 0,1 тегловни % в производителността на топлопренос -SDBS@GNPs за двата топлообменника (45° и 90° ъгъл на спиралата) е най-високото със стойност 1,90.Това означава, че равномерният ТР ефект е по-важен при по-ниски скорости на флуида (число на Рейнолдс)43 и нарастваща интензивност на турбулентността.Поради въвеждането на множество вихри, коефициентът на топлопреминаване и средният брой на Нуселт на ТТ тръбите са по-високи от конвенционалните тръби, което води до по-тънък граничен слой.Наличието на HP увеличава ли интензивността на турбуленцията, смесването на потоците на работната течност и засиления топлообмен в сравнение с базовите тръби (без вмъкване на усукана лента)21.
Средно число на Нуселт (ъгъл на спиралата 45° и 90°) спрямо числото на Рейнолдс за различни нанофлуиди в сравнение с конвенционалните тръби.
Фигури 13 и 14 показват средния коефициент на триене (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain}}\)) и загубата на налягане (\(\frac{{\Delta P} _ {Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\}} около 45° и 90° за конвенционални тръби, използващи DW нанофлуиди, (GNPs-SDBS@DW) и (GNPs-COOH@DW) йонообменник съдържа (0,025 wt %, 0,05 wt % и 0,1 wt %). { {f}_{Plain} }\)) и загуба на налягане (\(\frac{{ \Delta P}_{Twisted}}{{\Delta P }_{Plain}}\}) намаляват. случаи коефициентът на триене и загубата на налягане са по-високи при по-ниски числа на Рейнолдс Средният коефициент на триене и загубата на налягане са между 3,78 и 3,12 Средният коефициент на триене и загубата на налягане показват, че (45° спирала ъгъл и 90°) цената на топлообменника е три пъти по-висока от конвенционалните тръби.Освен това, когато работният флуид тече с по-висока скорост, коефициентът на триене намалява.Проблемът възниква, защото с увеличаването на числото на Рейнолдс дебелината на граничния слой намалява, което води до намаляване на ефекта на динамичния вискозитет върху засегнатата област, намаляване на градиентите на скоростта и напреженията на срязване и, следователно, намаляване на коефициента на триене21.Подобреният блокиращ ефект, дължащ се на наличието на ТТ и увеличеното завихряне, води до значително по-високи загуби на налягане за хетерогенни ТТ тръби, отколкото за основни тръби.В допълнение, както за основната тръба, така и за тръбата TT, може да се види, че спадът на налягането се увеличава със скоростта на работния флуид43.
Коефициент на триене (45° и 90° ъгъл на спиралата) спрямо числото на Рейнолдс за различни нанофлуиди в сравнение с конвенционалните тръби.
Загуба на налягане (45° и 90° ъгъл на спиралата) като функция от числото на Рейнолдс за различни нанофлуиди спрямо конвенционална тръба.
В обобщение, Фигура 15 показва критерии за оценка на ефективността (PEC) за топлообменници с ъгли 45° и 90° в сравнение с обикновени тръби (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}} \ ) ) в (0,025 тегл.%, 0,05 тегл.% и 0,1 тегл.%), използвайки DV, (VNP-SDBS@DV) и ковалентни (VNP-COOH@DV) нанофлуиди.Стойността (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) > 1 и в двата случая (45° и 90° ъгъл на спиралата) в топлообменника.Освен това (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) достига най-добрата си стойност при Re = 11 000.90° топлообменник показва леко увеличение на (\ (\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) в сравнение с 45° топлообменник., При Re = 11 000 0,1 wt%-GNPs@SDBS представлява по-високи (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) стойности, напр. 1,25 за 45° ъгъл на топлообменника и 1,27 за 90° ъглов топлообменник.Той е по-голям от единица при всички проценти от масовата част, което показва, че тръбите с вложки от усукана лента са по-добри от конвенционалните тръби.Трябва да се отбележи, че подобреният топлопренос, осигурен от лентовите вложки, доведе до значително увеличение на загубите от триене22.
Критерии за ефективност за числото на Рейнолдс на различни нанофлуиди по отношение на конвенционалните тръби (45° и 90° ъгъл на спиралата).
Приложение А показва рационални линии за 45° и 90° топлообменници при Re = 7000, използвайки DW, 0,1 wt%-GNP-SDBS@DW и 0,1 wt%-GNP-COOH@DW.Линиите на обтекаемост в напречната равнина са най-забележителната характеристика на ефекта на вложките на усуканата лента върху основния поток.Използването на 45° и 90° топлообменници показва, че скоростта в областта около стената е приблизително еднаква.Междувременно, Приложение B показва контурите на скоростта за 45° и 90° топлообменници при Re = 7000, използвайки DW, 0,1 wt%-GNP-SDBS@DW и 0,1 wt%-GNP-COOH@DW.Веригите на скоростта са на три различни места (срезове), например Plain-1 (P1 = −30 mm), Plain-4 (P4 = 60 mm) и Plain-7 (P7 = 150 mm).Скоростта на потока в близост до стената на тръбата е най-ниска и скоростта на течността се увеличава към центъра на тръбата.Освен това, когато преминава през въздуховода, зоната на ниски скорости в близост до стената се увеличава.Това се дължи на растежа на хидродинамичния граничен слой, който увеличава дебелината на областта с ниска скорост близо до стената.В допълнение, увеличаването на числото на Рейнолдс повишава общото ниво на скорост във всички напречни сечения, като по този начин намалява дебелината на областта с ниска скорост в канала39.
Ковалентно и нековалентно функционализирани графенови нанолистове бяха оценени в усукани лентови вложки с ъгли на спиралата от 45 ° и 90 °.Топлообменникът е решен числено с помощта на модела на турбулентност SST k-omega при 7000 ≤ Re ≤ 17000. Термофизичните свойства са изчислени при Tin = 308 K. Едновременно загрейте стената на усуканата тръба при постоянна температура от 330 K. COOH@DV) се разрежда в три масови количества, например (0.025 тегл.%, 0.05 тегл.% и 0.1 тегл.%).Настоящото проучване разглежда шест основни фактора: температура на изхода, коефициент на топлопреминаване, средно число на Нуселт, коефициент на триене, загуба на налягане и критерии за оценка на ефективността.Ето основните констатации:
Средната температура на изхода (\({{T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) винаги е по-малка от 1, което означава, че без разпространение. Температурата на изхода на валентните (ZNP-SDBS@DV) и ковалентните (ZNP-COOH@DV) нанофлуиди е по-ниска от тази на основната течност.Междувременно стойността на средната температура на изхода (\({{T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\)) е > 1, което показва на фактът, че (45° и 90° ъгъл на спиралата) температурата на изхода е по-висока, отколкото при конвенционалните тръби.
И в двата случая средните стойности на свойствата на топлопреминаване (нанофлуид/основен флуид) и (усукана тръба/нормална тръба) винаги показват >1.Нековалентните (GNPs-SDBS@DW) нанофлуиди показват по-високо средно увеличение на преноса на топлина, съответстващо на ковалентните (GNPs-COOH@DW) нанофлуиди.
Средният коефициент на триене (\({f}_{Nanofluids}/{f}_{Basefluid}\)) на нековалентни (VNP-SDBS@DW) и ковалентни (VNP-COOH@DW) нанофлуиди винаги е ≈1 .триене на нековалентни (ZNP-SDBS@DV) и ковалентни (ZNP-COOH@DV) нанофлуиди (\({f}_{Twisted}/{f}_{Plain}\)) за винаги > 3.
И в двата случая (45° и 90° ъгъл на спиралата) нанофлуидите (GNPs-SDBS@DW) показват по-високи (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) 0,025 % тегл. за 2,04 %, 0,05 % тегл. за 2,46 % и 0,1 % тегл. за 3,44 %.Междувременно (GNPs-COOH@DW) нанофлуидите показаха по-ниски (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) от 1,31% за 0,025 тегл.% до 1,65% е 0,05 % от теглото.В допълнение, средната загуба на налягане (\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\) на нековалентни (GNPs-SDBS@DW) и ковалентни (GNPs-COOH@DW ))) нанофлуиди винаги >3.
И в двата случая (45° и 90° ъгли на спиралата), нанофлуидите (GNPs-SDBS@DW) показват по-висока (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC} _{Basefluid}\)) @DW стойност) , напр. 0,025 тегл.% – 1,17, 0,05 тегл.% – 1,19, 0,1 тегл.% – 1,26.В този случай стойностите на ({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\)), използващи (GNPs-COOH@DW) нанофлуиди са 1,02 за 0,025 тегл.%, 1,05 за 0 , 05 тегл.% и 1.02 е 0.1% тегловни.В допълнение, при Re = 11 000, 0,1 wt%-GNPs@SDBS показа по-високи стойности (\({PEC}_{Twisted}/{PEC}_{Plain}\)), като 1,25 за ъгъл на спирала от 45° и 90° спирален ъгъл 1,27.
Thianpong, C. et al.Многофункционална оптимизация на потока нанофлуид титанов диоксид/вода в топлообменника, подсилен от вложки от усукана лента с делта крила.вътрешен J. Hot.науката.172, 107318 (2022).
Langerudi, HG и Jawaerde, C. Експериментално изследване на ненютонов флуиден поток в силфон, вмъкнат с типични и V-образни усукани ленти.Пренос на топлина и маса 55, 937–951 (2019).
Dong, X. et al.Експериментално изследване на характеристиките на топлообмен и съпротивление на потока на спираловидно усукан тръбен топлообменник [J].Температура на приложение.проект.176, 115397 (2020).
Yongsiri, K., Eiamsa-Ard, P., Wongcharee, K. & Eiamsa-Ard, SJCS Подобрен топлопренос в турбулентен канален поток с наклонени разделителни ребра.тематични изследвания.температура.проект.3, 1–10 (2014).