Ďakujeme, že ste navštívili Nature.com.Používate verziu prehliadača s obmedzenou podporou CSS.Pre najlepší zážitok vám odporúčame použiť aktualizovaný prehliadač (alebo vypnúť režim kompatibility v programe Internet Explorer).Okrem toho, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu, zobrazujeme stránku bez štýlov a JavaScriptu.
Posúvače zobrazujúce tri články na snímke.Na posúvanie medzi snímkami použite tlačidlá späť a ďalej, na posúvanie sa po jednotlivých snímkach použite tlačidlá ovládača posúvania na konci.
304 10*1mm Nerezová špirálová hadica v Číne
Veľkosť: 3/4 palca, 1/2 palca, 1 palca, 3 palca, 2 palca
Dĺžka potrubia jednotky: 6 metrov
Trieda ocele: 201, 304 A 316
Stupeň: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,
Materiál: NEREZOVÁ OCEL
Stav: Nové
Trubková cievka z nehrdzavejúcej ocele
Veľkosť: 3/4 palca, 1/2 palca, 1 palca, 3 palca, 2 palca
Dĺžka potrubia jednotky: 6 metrov
Trieda ocele: 201, 304 A 316
Stupeň: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,
Materiál: NEREZOVÁ OCEL
Stav: Nové
Kovalentné a nekovalentné nanokvapaliny boli testované v okrúhlych skúmavkách vybavených skrútenými páskovými vložkami s uhlami skrutkovice 45° a 90°.Reynoldsovo číslo bolo 7000 ≤ Re ≤ 17000, termofyzikálne vlastnosti boli hodnotené pri 308 K. Fyzikálny model je riešený numericky pomocou dvojparametrového modelu turbulentnej viskozity (SST k-omega turbulencia).V práci boli uvažované koncentrácie (0,025 hm. %, 0,05 hm. % a 0,1 hm. %) nanokvapalín ZNP-SDBS@DV a ZNP-COOH@DV.Steny skrútených rúrok sa zahrievajú na konštantnú teplotu 330 K. V súčasnej štúdii sa zvažovalo šesť parametrov: výstupná teplota, koeficient prestupu tepla, priemerné Nusseltovo číslo, koeficient trenia, tlaková strata a kritériá hodnotenia výkonu.V oboch prípadoch (uhol skrutkovice 45° a 90°) nanofluid ZNP-SDBS@DV vykazoval vyššie tepelno-hydraulické charakteristiky ako ZNP-COOH@DV a zvyšoval sa so zvyšujúcim sa hmotnostným zlomkom, napr. 0,025 hm.a 0,05 hmotn.je 1.19.% a 1,26 – 0,1 % hmotn.V oboch prípadoch (uhol skrutkovice 45° a 90°) sú hodnoty termodynamických charakteristík pri použití GNP-COOH@DW 1,02 pre 0,025 % hm., 1,05 pre 0,05 % hm.a 1,02 pre 0,1 % hmotn.
Výmenník tepla je termodynamické zariadenie 1 používané na prenos tepla počas chladenia a ohrevu.Tepelno-hydraulické vlastnosti výmenníka zlepšujú súčiniteľ prestupu tepla a znižujú odpor pracovnej tekutiny.Na zlepšenie prenosu tepla bolo vyvinutých niekoľko metód vrátane zosilňovačov turbulencie2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 a nanokvapalín12,13,14,15.Vkladanie skrútenej pásky je jednou z najúspešnejších metód na zlepšenie prenosu tepla vo výmenníkoch tepla vďaka ľahkej údržbe a nízkym nákladom7,16.
V sérii experimentálnych a výpočtových štúdií sa študovali hydrotermálne vlastnosti zmesí nanokvapalín a výmenníkov tepla s vložkami skrútenej pásky.V experimentálnej práci sa študovali hydrotermálne vlastnosti troch rôznych kovových nanokvapalín (Ag@DW, Fe@DW a Cu@DW) vo výmenníku tepla s točenou páskou (STT)17.V porovnaní so základnou rúrou sa koeficient prestupu tepla STT zlepšil o 11% a 67%.Rozloženie SST je z ekonomického hľadiska najlepšie z hľadiska účinnosti s parametrom α = β = 0,33.Okrem toho sa pri Ag@DW pozoroval 18,2 % nárast n, hoci maximálne zvýšenie tlakovej straty bolo len 8,5 %.Fyzikálne procesy prenosu tepla a tlakových strát v koncentrických potrubiach s a bez špirálových turbulátorov boli študované pomocou turbulentných tokov Al2O3@DW nanofluid s nútenou konvekciou.Maximálne priemerné Nusseltovo číslo (Nuavg) a tlaková strata sú pozorované pri Re = 20 000, keď je rozstup cievky = 25 mm a Al2O3@DW nanofluid 1,6 obj. %.Uskutočnili sa aj laboratórne štúdie na štúdium charakteristík prenosu tepla a tlakových strát nanokvapalín oxidu grafénu (GO@DW) prúdiacich cez takmer kruhové rúrky s WC vložkami.Výsledky ukázali, že 0,12 obj.%-GO@DW zvýšilo koeficient prestupu tepla konvekciou o približne 77%.V ďalšej experimentálnej štúdii boli vyvinuté nanokvapaliny (TiO2@DW) na štúdium tepelno-hydraulických charakteristík ponorených rúrok vybavených skrútenými páskovými vložkami20.Maximálna hydrotermálna účinnosť 1,258 bola dosiahnutá s použitím 0,15 obj.%-TiO2@DW zabudovaného do 45° naklonených hriadeľov s faktorom zákrutu 3,0.Jednofázové a dvojfázové (hybridné) simulačné modely zohľadňujú prietok a prenos tepla nanokvapalín CuO@DW pri rôznych koncentráciách pevných látok (1–4 % obj. %)21.Maximálna tepelná účinnosť trubice vloženej s jednou skrútenou páskou je 2,18 a trubice vloženej s dvoma skrútenými páskami za rovnakých podmienok je 2,04 (dvojfázový model, Re = 36 000 a 4 obj. %).Študoval sa nenewtonovský turbulentný nanofluidný tok karboxymetylcelulózy (CMC) a oxidu medi (CuO) v hlavných potrubiach a potrubiach so skrútenými vložkami.Nuavg vykazuje zlepšenie o 16,1 % (pre hlavné potrubie) a 60 % (pre vinuté potrubie s pomerom (H/D = 5)).Vo všeobecnosti nižší pomer zákrutu k páske vedie k vyššiemu koeficientu trenia.V experimentálnej štúdii bol skúmaný vplyv rúrok s točenou páskou (TT) a cievkami (VC) na vlastnosti prenosu tepla a koeficient trenia pomocou nanokvapalín CuO@DW.S použitím 0,3 obj.%-CuO@DW pri Re = 20 000 umožňuje zvýšiť prestup tepla v potrubí VK-2 na maximálnu hodnotu 44,45 %.Navyše, pri použití skrúteného párového kábla a cievkovej vložky za rovnakých okrajových podmienok sa koeficient trenia zvýši o faktory 1,17 a 1,19 v porovnaní s DW.Vo všeobecnosti je tepelná účinnosť nanokvapalín vložených do cievok lepšia ako tepelná účinnosť nanokvapalín vložených do lankových drôtov.Objemová charakteristika turbulentného (MWCNT@DW) toku nanokvapaliny bola študovaná vo vnútri horizontálnej trubice vloženej do špirálového drôtu.Parametre tepelného výkonu boli > 1 pre všetky prípady, čo naznačuje, že kombinácia nanofluidika s vložkou cievky zlepšuje prenos tepla bez spotreby energie čerpadla.Abstrakt—Hydrotermálne charakteristiky dvojrúrkového výmenníka tepla s rôznymi vložkami vyrobenými z modifikovanej skrútenej pásky v tvare V (VcTT) boli študované v podmienkach turbulentného prúdenia nanokvapaliny Al2O3 + TiO2@DW.V porovnaní s DW v základných rúrach má Nuavg výrazné zlepšenie o 132 % a koeficient trenia až 55 %.Okrem toho sa diskutovalo o energetickej účinnosti nanokompozitu Al2O3+TiO2@DW v dvojrúrkovom výmenníku tepla26.Vo svojej štúdii zistili, že použitie Al2O3 + TiO2@DW a TT zlepšilo účinnosť exergie v porovnaní s DW.V koncentrických rúrkových výmenníkoch tepla s turbulátormi VcTT použili Singh a Sarkar27 materiály s fázovou zmenou (PCM), dispergované jednoduché/nanokompozitné nanokvapaliny (Al2O3@DW s PCM a Al2O3 + PCM).Uviedli, že prenos tepla a strata tlaku sa zvyšujú, keď sa koeficient skrútenia znižuje a zvyšuje sa koncentrácia nanočastíc.Väčší faktor hĺbky V-zárezu alebo menší faktor šírky môže poskytnúť väčší prenos tepla a stratu tlaku.Okrem toho sa grafén-platina (Gr-Pt) použila na skúmanie rýchlosti generovania tepla, trenia a celkovej entropie v skúmavkách s vložkami 2-TT28.Ich štúdia ukázala, že menšie percento (Gr-Pt) výrazne znížilo tvorbu tepelnej entropie v porovnaní s relatívne vyšším vývojom trecej entropie.Zmiešané nanokvapaliny Al2O3@MgO a kužeľové WC možno považovať za dobrú zmes, pretože zvýšený pomer (h/Δp) môže zlepšiť hydrotermálny výkon dvojrúrkového výmenníka tepla 29 .Numerický model sa používa na vyhodnotenie energetickej úspory a environmentálneho výkonu výmenníkov tepla s rôznymi trojzložkovými hybridnými nanokvapalinami (THNF) (Al2O3 + grafén + MWCNT) suspendovanými v DW30.Vzhľadom na kritériá hodnotenia výkonu (PEC) v rozsahu 1,42–2,35 je potrebná kombinácia vložky so zníženým krúteným turbulizérom (DTTI) a (Al2O3 + grafén + MWCNT).
Doteraz sa málo pozornosti venovalo úlohe kovalentnej a nekovalentnej funkcionalizácie v hydrodynamickom prúdení v termálnych kvapalinách.Špecifickým účelom tejto štúdie bolo porovnať tepelno-hydraulické charakteristiky nanokvapalín (ZNP-SDBS@DV) a (ZNP-COOH@DV) v skrútených páskových vložkách s uhlami skrutkovice 45° a 90°.Termofyzikálne vlastnosti boli merané pri Tin = 308 K. V tomto prípade boli v porovnávacom procese brané do úvahy tri hmotnostné frakcie, ako napríklad (0,025 % hmotn., 0,05 % hmotn. a 0,1 % hmotn.).Na riešenie tepelno-hydraulických charakteristík sa používa prenos šmykového napätia v 3D modeli turbulentného prúdenia (SST k-ω).Táto štúdia teda významne prispieva k štúdiu pozitívnych vlastností (prenos tepla) a negatívnych vlastností (pokles tlaku na trenie), demonštruje tepelno-hydraulické charakteristiky a optimalizáciu reálnych pracovných kvapalín v takýchto inžinierskych systémoch.
Základná konfigurácia je hladká rúra (L = 900 mm a Dh = 20 mm).Rozmery vloženej skrútenej pásky (dĺžka = 20 mm, hrúbka = 0,5 mm, profil = 30 mm).V tomto prípade bola dĺžka, šírka a zdvih špirálového profilu 20 mm, 0,5 mm a 30 mm.Skrútené pásky sú naklonené pod uhlom 45° a 90°.Rôzne pracovné tekutiny, ako je DW, nekovalentné nanokvapaliny (GNF-SDBS@DW) a kovalentné nanokvapaliny (GNF-COOH@DW) pri Tin = 308 K, tri rôzne hmotnostné koncentrácie a rôzne Reynoldsove čísla.Testy boli vykonané vo vnútri výmenníka tepla.Vonkajšia stena špirálovej rúrky bola zahrievaná pri konštantnej povrchovej teplote 330 K, aby sa otestovali parametre na zlepšenie prenosu tepla.
Na obr.1 schematicky znázorňuje skrútenú hadičku na vkladanie pásky s aplikovateľnými okrajovými podmienkami a sieťovou oblasťou.Ako už bolo spomenuté, okrajové podmienky rýchlosti a tlaku platia pre vstupnú a výstupnú časť špirály.Pri konštantnej povrchovej teplote je na stene potrubia kladený protišmykový stav.Súčasná numerická simulácia využíva riešenie založené na tlaku.Zároveň je použitý program (ANSYS FLUENT 2020R1) na prevod parciálnej diferenciálnej rovnice (PDE) na systém algebraických rovníc metódou konečných objemov (FMM).Metóda SIMPLE druhého rádu (semiimplicitná metóda pre sekvenčné tlakovo závislé rovnice) súvisí s rýchlosťou-tlak.Malo by sa zdôrazniť, že konvergencia zvyškov pre rovnice hmotnosti, hybnosti a energie je menšia ako 103 a 106.
p Schéma fyzikálnych a výpočtových oblastí: (a) uhol skrutkovice 90°, (b) uhol skrutkovice 45°, (c) bez špirálovej lopatky.
Na vysvetlenie vlastností nanokvapalín sa používa homogénny model.Začlenením nanomateriálov do základnej tekutiny (DW) vzniká súvislá tekutina s výbornými tepelnými vlastnosťami.V tomto ohľade má teplota a rýchlosť základnej tekutiny a nanomateriálu rovnakú hodnotu.Vzhľadom na vyššie uvedené teórie a predpoklady v tejto štúdii funguje efektívne jednofázové prúdenie.Niekoľko štúdií preukázalo účinnosť a použiteľnosť jednofázových techník pre nanofluidný tok31,32.
Prúdenie nanokvapalín musí byť newtonovské turbulentné, nestlačiteľné a stacionárne.Kompresná práca a viskózne zahrievanie sú v tejto štúdii irelevantné.Okrem toho sa neberie do úvahy hrúbka vnútornej a vonkajšej steny potrubia.Preto rovnice hmotnosti, hybnosti a zachovania energie, ktoré definujú tepelný model, možno vyjadriť takto:
kde \(\overrightarrow{V}\) je vektor strednej rýchlosti, Keff = K + Kt je efektívna tepelná vodivosť kovalentných a nekovalentných nanokvapalín a ε je rýchlosť disipácie energie.Efektívne termofyzikálne vlastnosti nanokvapalín, vrátane hustoty (ρ), viskozity (μ), špecifickej tepelnej kapacity (Cp) a tepelnej vodivosti (k), uvedené v tabuľke, boli merané počas experimentálnej štúdie pri teplote 308 K1 pri použití. v týchto simulátoroch.
Numerické simulácie turbulentného prúdenia nanokvapalín v konvenčných a TT trubiciach sa uskutočnili pri Reynoldsových číslach 7000 ≤ Re ≤ 17 000. Tieto simulácie a koeficienty konvekčného prenosu tepla boli analyzované pomocou Mentorovho κ-ω turbulenčného modelu prenosu šmykového napätia (SST) spriemerovaného za Reynolds model Navier-Stokes, bežne používaný v aerodynamickom výskume.Okrem toho model funguje bez funkcie steny a je presný pri stenách 35,36.(SST) κ-ω riadiace rovnice modelu turbulencie sú nasledovné:
kde \(S\) je hodnota rýchlosti deformácie a \(y\) je vzdialenosť k susednému povrchu.Medzitým \({\alpha}_{1}\), \({\alpha}_{2}\), \({\beta}_{1}\), \({\beta}_{ 2 }\), \({\beta}^{*}\), \({\sigma}_{{k}_{1}}\), \({\sigma}_{{k}_{ 2 }}\), \({\sigma}_{{\omega}_{1}}\) a \({\sigma}_{{\omega}_{2}}\) označujú všetky konštanty modelu.F1 a F2 sú zmiešané funkcie.Poznámka: F1 = 1 v hraničnej vrstve, 0 v prichádzajúcom toku.
Parametre hodnotenia výkonnosti sa používajú na štúdium turbulentného konvekčného prenosu tepla, kovalentného a nekovalentného prúdenia nanokvapalín, napríklad31:
V tomto kontexte sa (\(\rho\)), (\(v\)), (\({D}_{h}\)) a (\(\mu\)) používajú pre hustotu, rýchlosť tekutiny , hydraulický priemer a dynamická viskozita.(\({C}_{p}\, \mathrm{u}\, k\)) – merná tepelná kapacita a tepelná vodivosť prúdiacej tekutiny.Tiež (\(\dot{m}\)) označuje hmotnostný prietok a (\({T}_{out}-{T}_{in}\)) označuje vstupný a výstupný teplotný rozdiel.(NF) označuje kovalentné, nekovalentné nanokvapaliny a (DW) označuje destilovanú vodu (základnú tekutinu).\({A}_{s} = \pi DL\), \({\overline{T}}_{f}=\frac{\left({T}_{out}-{T}_{in }\right)}{2}\) a \({\overline{T}}_{w}=\sum \frac{{T}_{w}}{n}\).
Termofyzikálne vlastnosti základnej tekutiny (DW), nekovalentnej nanokvapaliny (GNF-SDBS@DW) a kovalentnej nanokvapaliny (GNF-COOH@DW) boli prevzaté z publikovanej literatúry (experimentálne štúdie), Sn = 308 K, ako znázornené v tabuľke 134. V typickom experimente na získanie nekovalentnej (GNP-SDBS@DW) nanokvapaliny so známymi hmotnostnými percentami boli určité gramy primárnych GNP na začiatku odvážené na digitálnych váhach.Hmotnostný pomer SDBS/natívny HNP je (0,5:1) vážený v DW.V tomto prípade boli kovalentné (COOH-GNP@DW) nanokvapaliny syntetizované pridaním karboxylových skupín na povrch GNP pomocou silne kyslého média s objemovým pomerom (1:3) HNO3 a H2SO4.Kovalentné a nekovalentné nanokvapaliny boli suspendované v DW v troch rôznych hmotnostných percentách, ako napríklad 0,025 % hmotn., 0,05 % hmotn.a 0,1 % hmotnosti.
Testy nezávislosti siete boli vykonané v štyroch rôznych výpočtových doménach, aby sa zabezpečilo, že veľkosť siete neovplyvní simuláciu.V prípade torznej rúry 45° je počet jednotiek s veľkosťou jednotky 1,75 mm 249 033, počet jednotiek s veľkosťou jednotky 2 mm je 307 969, počet jednotiek s veľkosťou jednotky 2,25 mm je 421 406 a počet jednotiek s veľkosťou jednotky 2,5 mm 564 940 resp.Okrem toho v príklade 90° stočenej rúry je počet prvkov s veľkosťou prvku 1,75 mm 245 531, počet prvkov s veľkosťou prvku 2 mm je 311 584, počet prvkov s veľkosťou prvku 2,25 mm je 422 708 a počet prvkov s veľkosťou prvku 2,5 mm je 573 826.Presnosť odčítania tepelných vlastností, ako sú (Tout, htc a Nuavg), sa zvyšuje so znižujúcim sa počtom prvkov.Presnosť hodnôt koeficientu trenia a poklesu tlaku zároveň vykazovala úplne iné správanie (obr. 2).Mriežka (2) bola použitá ako hlavná oblasť siete na vyhodnotenie tepelno-hydraulických charakteristík v simulovanom prípade.
Testovanie prenosu tepla a poklesu tlaku nezávisle od siete pomocou párov rúr DW skrútených pod uhlom 45° a 90°.
Súčasné numerické výsledky boli potvrdené pre výkon prenosu tepla a koeficient trenia pomocou dobre známych empirických korelácií a rovníc, ako sú Dittus-Belter, Petukhov, Gnelinsky, Notter-Rouse a Blasius.Porovnanie sa uskutočnilo za podmienok 7000≤Re≤17000.Podľa obr.3 sú priemerné a maximálne chyby medzi výsledkami simulácie a rovnicou prenosu tepla 4,050 a 5,490 % (Dittus-Belter), 9,736 a 11,33 % (Petukhov), 4,007 a 7,483 % (Gnelinsky) a 3,883 % a 4,937 % Nott-Belter).Ruža).V tomto prípade sú priemerné a maximálne chyby medzi výsledkami simulácie a rovnicou koeficientu trenia 7,346 % a 8,039 % (Blasius) a 8,117 % a 9,002 % (Petukhov).
Prenos tepla a hydrodynamické vlastnosti DW pri rôznych Reynoldsových číslach pomocou numerických výpočtov a empirických korelácií.
Táto časť pojednáva o tepelných vlastnostiach nekovalentných (LNP-SDBS) a kovalentných (LNP-COOH) vodných nanokvapalín pri troch rôznych hmotnostných frakciách a Reynoldsových číslach ako priemery vzhľadom na základnú tekutinu (DW).Pre 7000 ≤ Re ≤ 17 000 sú diskutované dve geometrie výmenníkov tepla so špirálovým pásom (uhol skrutkovice 45° a 90°). Na obr.4 ukazuje priemernú teplotu na výstupe nanokvapaliny do základnej tekutiny (DW) (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{ DW}}\)) pri (0,025 % hmotn., 0,05 % hmotn. a 0,1 % hmotn.).(\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) je vždy menšia ako 1, čo znamená, že výstupná teplota je nekovalentné (VNP-SDBS) a kovalentné (VNP-COOH) nanokvapaliny sú pod teplotou na výstupe základnej kvapaliny.Najnižšie a najvyššie zníženie bolo 0,1 % hmotn.-COOH@GNP a 0,1 % hmotn.-SDBS@GNP.Tento jav je spôsobený zvýšením Reynoldsovho čísla pri konštantnom hmotnostnom zlomku, čo vedie k zmene vlastností nanokvapaliny (to znamená hustoty a dynamickej viskozity).
Obrázky 5 a 6 ukazujú priemerné charakteristiky prenosu tepla nanokvapaliny do základnej tekutiny (DW) pri (0,025 % hmotn., 0,05 % hmotn. a 0,1 % hmotn.).Priemerné vlastnosti prenosu tepla sú vždy väčšie ako 1, čo znamená, že vlastnosti prenosu tepla nekovalentných (LNP-SDBS) a kovalentných (LNP-COOH) nanokvapalín sú v porovnaní so základnou kvapalinou lepšie.0,1 % hmotn.-COOH@GNPs a 0,1 % hmotn.-SDBS@GNPs dosiahli najnižší a najvyšší zisk.Keď sa Reynoldsovo číslo zvýši v dôsledku väčšieho premiešavania tekutín a turbulencií v potrubí 1, zlepší sa výkon prenosu tepla.Kvapaliny cez malé medzery dosahujú vyššie rýchlosti, výsledkom čoho je tenšia medzná vrstva rýchlosť/teplo, čo zvyšuje rýchlosť prenosu tepla.Pridanie ďalších nanočastíc do základnej tekutiny môže mať pozitívne aj negatívne výsledky.Priaznivé účinky zahŕňajú zvýšené kolízie nanočastíc, priaznivé požiadavky na tepelnú vodivosť tekutín a zvýšený prenos tepla.
Koeficient prestupu tepla nanokvapaliny do základnej tekutiny v závislosti od Reynoldsovho čísla pre 45° a 90° trubice.
Negatívnym efektom je zároveň zvýšenie dynamickej viskozity nanokvapaliny, ktorá znižuje pohyblivosť nanokvapaliny, čím sa znižuje priemerné Nusseltovo číslo (Nuavg).Zvýšená tepelná vodivosť nanokvapalín (ZNP-SDBS@DW) a (ZNP-COOH@DW) by mala byť spôsobená Brownovým pohybom a mikrokonvekciou grafénových nanočastíc suspendovaných v DW37.Tepelná vodivosť nanokvapaliny (ZNP-COOH@DV) je vyššia ako tepelná vodivosť nanokvapaliny (ZNP-SDBS@DV) a destilovanej vody.Pridaním väčšieho množstva nanomateriálov do základnej tekutiny sa zvyšuje ich tepelná vodivosť (tabuľka 1)38.
Obrázok 7 znázorňuje priemerný koeficient trenia nanokvapalín so základnou tekutinou (DW) (f(NFs)/f(DW)) v hmotnostných percentách (0,025 %, 0,05 % a 0,1 %).Priemerný koeficient trenia je vždy ≈1, čo znamená, že nekovalentné (GNF-SDBS@DW) a kovalentné (GNF-COOH@DW) nanokvapaliny majú rovnaký koeficient trenia ako základná tekutina.Výmenník tepla s menším priestorom vytvára väčšiu prekážku prúdenia a zvyšuje trenie prúdenia1.V zásade sa koeficient trenia mierne zvyšuje so zvyšujúcim sa hmotnostným podielom nanokvapaliny.Vyššie straty trením sú spôsobené zvýšenou dynamickou viskozitou nanokvapaliny a zvýšeným šmykovým napätím na povrchu s vyšším hmotnostným percentom nanografénu v základnej tekutine.Tabuľka (1) ukazuje, že dynamická viskozita nanokvapaliny (ZNP-SDBS@DV) je vyššia ako dynamická viskozita nanokvapaliny (ZNP-COOH@DV) pri rovnakom hmotnostnom percente, čo je spojené s pridaním povrchových efektov.aktívnych látok na nekovalentnej nanokvapaline.
Na obr.8 ukazuje nanofluid v porovnaní so základnou kvapalinou (DW) (\(\frac{{\Delta P}_{NFs}}{{\Delta P}_{DW}}\)) pri (0,025 %, 0,05 % a 0,1 % ).Nekovalentná (GNPs-SDBS@DW) nanokvapalina vykazovala vyššiu priemernú tlakovú stratu a so zvýšením hmotnostného percenta na 2,04 % pre 0,025 % hm., 2,46 % pre 0,05 % hm.a 3,44 % pre 0,1 % hmotn.so zväčšením puzdra (uhol skrutkovice 45° a 90°).Medzitým nanokvapalina (GNPs-COOH@DW) vykazovala nižšiu priemernú tlakovú stratu, ktorá sa zvýšila z 1,31 % pri 0,025 % hm.až 1,65 % pri 0,05 % hmotn.Priemerná tlaková strata 0,05 % hmotn.-COOH@NP a 0,1 % hmotn.-COOH@NP je 1,65 %.Ako je možné vidieť, pokles tlaku sa zvyšuje so zvyšujúcim sa číslom Re vo všetkých prípadoch.Zvýšený pokles tlaku pri vysokých hodnotách Re je indikovaný priamou závislosťou od objemového prietoku.Preto vyššie číslo Re v trubici vedie k vyššiemu poklesu tlaku, čo si vyžaduje zvýšenie výkonu čerpadla39,40.Okrem toho sú tlakové straty vyššie v dôsledku vyššej intenzity vírov a turbulencií generovaných väčším povrchom, čo zvyšuje interakciu tlakových a zotrvačných síl v hraničnej vrstve1.
Vo všeobecnosti sú kritériá hodnotenia výkonnosti (PEC) pre nekovalentné (VNP-SDBS@DW) a kovalentné (VNP-COOH@DW) nanokvapaliny zobrazené na obr.9. Nanofluid (ZNP-SDBS@DV) vykazoval vyššie hodnoty PEC ako (ZNP-COOH@DV) v oboch prípadoch (uhol skrutkovice 45° a 90°) a zlepšil sa zvýšením hmotnostného zlomku, napríklad 0,025 % hmotn.% je 1,17, 0,05 % hmotn. je 1,19 a 0,1 % hmotn. je 1,26.Medzitým hodnoty PEC pri použití nanokvapalín (GNPs-COOH@DW) boli 1,02 pre 0,025 % hmotn., 1,05 pre 0,05 % hmotn., 1,05 pre 0,1 % hmotn.v oboch prípadoch (uhol skrutkovice 45° a 90°).1.02.S nárastom Reynoldsovho čísla spravidla výrazne klesá tepelno-hydraulická účinnosť.Keď sa Reynoldsovo číslo zvyšuje, pokles koeficientu tepelno-hydraulickej účinnosti je systematicky spojený so zvýšením (NuNFs/NuDW) a znížením (fNFs/fDW).
Hydrotermálne vlastnosti nanokvapalín vzhľadom na základné kvapaliny v závislosti od Reynoldsových čísel pre rúrky s uhlom 45° a 90°.
Táto časť pojednáva o tepelných vlastnostiach vody (DW), nekovalentných (VNP-SDBS@DW) a kovalentných (VNP-COOH@DW) nanokvapalín pri troch rôznych hmotnostných koncentráciách a Reynoldsových číslach.Na vyhodnotenie priemerného tepelno-hydraulického výkonu boli uvažované dve geometrie výmenníka tepla so špirálovým pásom v rozsahu 7000 ≤ Re ≤ 17 000 vzhľadom na konvenčné potrubia (uhly skrutkovice 45° a 90°).Na obr.10 ukazuje teplotu vody a nanokvapalín na výstupe ako priemer pomocou (uhol špirály 45° a 90°) pre bežné potrubie (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{ {T} _{out}}_{Regular}}\)).Nekovalentné (GNP-SDBS@DW) a kovalentné (GNP-COOH@DW) nanokvapaliny majú tri rôzne hmotnostné frakcie, ako napríklad 0,025 % hmotn., 0,05 % hmotn. a 0,1 % hmotn.Ako je znázornené na obr.11, priemerná hodnota výstupnej teploty (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{{T}_{out}}_{Plain}}\)) > 1, čo naznačuje, že (45° a 90° uhol špirály) je teplota na výstupe z výmenníka tepla významnejšia ako teplota konvenčného potrubia, kvôli väčšej intenzite turbulencií a lepšiemu premiešaniu kvapaliny.Okrem toho teplota na výstupe DW, nekovalentných a kovalentných nanokvapalín klesala so zvyšujúcim sa Reynoldsovým číslom.Základná kvapalina (DW) má najvyššiu strednú výstupnú teplotu.Medzitým sa najnižšia hodnota vzťahuje na 0,1 % hmotn.-SDBS@HNP.Nekovalentné (GNPs-SDBS@DW) nanokvapaliny vykazovali nižšiu priemernú výstupnú teplotu v porovnaní s kovalentnými (GNPs-COOH@DW) nanokvapalinami.Pretože skrútená páska spôsobuje, že prietokové pole je viac zmiešané, tepelný tok v blízkosti steny môže ľahšie prechádzať kvapalinou, čím sa zvyšuje celková teplota.Nižší pomer skrútenia k páske má za následok lepšiu penetráciu a tým aj lepší prenos tepla.Na druhej strane je vidieť, že zrolovaná páska udržuje nižšiu teplotu pri stene, čo zase zvyšuje Nuavg.V prípade skrútených páskových vložiek vyššia hodnota Nuavg indikuje zlepšený prenos tepla konvekciou v trubici22.V dôsledku zvýšenej dráhy toku a dodatočného miešania a turbulencie sa doba zdržania zvyšuje, čo vedie k zvýšeniu teploty kvapaliny na výstupe41.
Reynoldsove počty rôznych nanokvapalín v pomere k výstupnej teplote konvenčných trubíc (45° a 90° uhly špirály).
Koeficienty prenosu tepla (45° a 90° uhol špirály) verzus Reynoldsove čísla pre rôzne nanokvapaliny v porovnaní s konvenčnými trubicami.
Hlavný mechanizmus zlepšeného prenosu tepla zvinutou páskou je nasledujúci: 1. Zmenšenie hydraulického priemeru teplovýmennej rúrky vedie k zvýšeniu rýchlosti prúdenia a zakriveniu, čo následne zvyšuje šmykové napätie na stene a podporuje sekundárny pohyb.2. V dôsledku zablokovania navíjacej pásky sa rýchlosť na stene potrubia zvyšuje a hrúbka hraničnej vrstvy sa znižuje.3. Špirálový tok za skrúteným pásom vedie k zvýšeniu rýchlosti.4. Indukované víry zlepšujú miešanie tekutín medzi centrálnou a blízkostennou oblasťou toku42.Na obr.11 a obr.12 ukazuje vlastnosti prenosu tepla DW a nanokvapalín, napríklad (koeficient prestupu tepla a priemerné Nusseltove číslo) ako priemery s použitím skrútených trubíc na vkladanie pásky v porovnaní s konvenčnými trubicami.Nekovalentné (GNP-SDBS@DW) a kovalentné (GNP-COOH@DW) nanokvapaliny majú tri rôzne hmotnostné frakcie, ako napríklad 0,025 % hmotn., 0,05 % hmotn. a 0,1 % hmotn.V oboch výmenníkoch tepla (45° a 90° uhol špirály) je priemerný výkon prenosu tepla >1, čo naznačuje zlepšenie koeficientu prestupu tepla a priemerné Nusseltovo číslo so stočenými rúrkami v porovnaní s konvenčnými rúrkami.Nekovalentné (GNPs-SDBS@DW) nanokvapaliny vykazovali vyššie priemerné zlepšenie prenosu tepla ako kovalentné (GNPs-COOH@DW) nanokvapaliny.Pri Re = 900 bolo 0,1 % hmotn. zlepšenie výkonu prenosu tepla -SDBS@GNPs pre dva výmenníky tepla (45° a 90° uhol skrutkovice) najvyššie s hodnotou 1,90.To znamená, že rovnomerný efekt TP je dôležitejší pri nižších rýchlostiach tekutiny (Reynoldsovo číslo)43 a zvyšujúcej sa intenzite turbulencie.V dôsledku zavedenia viacerých vírov sú koeficient prestupu tepla a priemerný Nusseltov počet TT rúrok vyššie ako konvenčné rúry, čo vedie k tenšej hraničnej vrstve.Zvyšuje prítomnosť HP intenzitu turbulencií, miešanie prúdov pracovnej tekutiny a lepší prenos tepla v porovnaní so základnými rúrkami (bez vloženia skrútenej pásky)21.
Priemerné Nusseltovo číslo (uhol špirály 45° a 90°) oproti Reynoldsovmu číslu pre rôzne nanokvapaliny v porovnaní s konvenčnými skúmavkami.
Obrázky 13 a 14 zobrazujú priemerný koeficient trenia (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain}}\)) a tlakovú stratu (\(\frac{{\Delta P}} _ {Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\}} asi 45° a 90° pre konvenčné potrubia používajúce DW nanokvapaliny, (GNPs-SDBS@DW) a (GNPs-COOH@DW) iónový výmenník obsahuje ( 0,025 hmotn. %, 0,05 hmotn. % a 0,1 hmotn. %). { {f}_{Plain} }\)) a tlaková strata (\(\frac{{ \Delta P}_{Twisted}}{{\Delta P }_{Plain}}\}) pokles.prípady, koeficient trenia a tlaková strata sú vyššie pri nižších Reynoldsových číslach Priemerný koeficient trenia a tlaková strata sú medzi 3,78 a 3,12 Priemerný koeficient trenia a tlaková strata ukazujú, že (45° špirála uhol a 90°) výmenník tepla stojí trikrát viac ako bežné potrubia.Navyše, keď pracovná kvapalina prúdi vyššou rýchlosťou, koeficient trenia klesá.Problém nastáva, pretože pri zvyšovaní Reynoldsovho čísla sa hrúbka hraničnej vrstvy zvyšuje klesá, čo vedie k zníženiu vplyvu dynamickej viskozity na postihnutú oblasť, zníženiu rýchlostných gradientov a šmykových napätí a následne k zníženiu koeficientu trenia21.Zlepšený blokovací účinok v dôsledku prítomnosti TT a zvýšeného vírenia má za následok výrazne vyššie tlakové straty pre heterogénne TT rúry ako pre základné rúry.Okrem toho, ako pre základnú rúrku, tak aj pre TT rúrku, je možné vidieť, že pokles tlaku sa zvyšuje s rýchlosťou pracovnej tekutiny43.
Koeficient trenia (45° a 90° uhol špirály) verzus Reynoldsovo číslo pre rôzne nanokvapaliny v porovnaní s konvenčnými trubicami.
Strata tlaku (45° a 90° uhol špirály) ako funkcia Reynoldsovho čísla pre rôzne nanokvapaliny v porovnaní s konvenčnou trubicou.
Stručne povedané, obrázok 15 zobrazuje kritériá hodnotenia výkonu (PEC) pre výmenníky tepla s uhlom 45° a 90° v porovnaní s obyčajnými rúrkami (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}} \ )) v (0,025 hmotn. %, 0,05 hmotn. % a 0,1 hmotn. %) s použitím DV, (VNP-SDBS@DV) a kovalentných (VNP-COOH@DV) nanokvapalín.Hodnota (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) > 1 v oboch prípadoch (45° a 90° uhol špirály) vo výmenníku tepla.Okrem toho (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) dosahuje svoju najlepšiu hodnotu pri Re = 11 000.Výmenník tepla 90° vykazuje mierne zvýšenie (\ (\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) v porovnaní s výmenníkom tepla 45°., Pri Re = 11 000 0,1 % hm.-GNPs@SDBS predstavuje vyššie hodnoty (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)), napr. 1,25 pre 45° roh výmenníka tepla a 1,27 pre 90° rohový výmenník tepla.Je väčšia ako jedna vo všetkých percentách hmotnostného zlomku, čo naznačuje, že rúry so skrútenými páskovými vložkami sú lepšie ako bežné rúry.Je pozoruhodné, že zlepšený prenos tepla poskytovaný vložkami pásky viedol k výraznému zvýšeniu strát trením22.
Kritériá účinnosti pre Reynoldsov počet rôznych nanokvapalín vo vzťahu ku konvenčným trubiciam (45° a 90° uhol špirály).
Príloha A ukazuje prúdnice pre 45° a 90° výmenníky tepla pri Re = 7000 s použitím DW, 0,1 % hmotn.-GNP-SDBS@DW a 0,1 % hmotn.-GNP-COOH@DW.Prúdy v priečnej rovine sú najvýraznejším znakom účinku skrútených páskových vložiek na hlavný tok.Použitie 45° a 90° výmenníkov tepla ukazuje, že rýchlosť v oblasti blízko steny je približne rovnaká.Medzitým príloha B ukazuje krivky rýchlosti pre 45° a 90° výmenníky tepla pri Re = 7000 s použitím DW, 0,1 % hmotn.-GNP-SDBS@DW a 0,1 % hmotn.-GNP-COOH@DW.Rýchlostné slučky sú na troch rôznych miestach (rezoch), napríklad Plain-1 (P1 = -30 mm), Plain-4 (P4 = 60 mm) a Plain-7 (P7 = 150 mm).Rýchlosť prúdenia v blízkosti steny potrubia je najnižšia a rýchlosť tekutiny sa zvyšuje smerom k stredu potrubia.Okrem toho sa pri prechode vzduchovým potrubím zväčšuje oblasť nízkych rýchlostí v blízkosti steny.Je to spôsobené rastom hydrodynamickej hraničnej vrstvy, ktorá zväčšuje hrúbku oblasti s nízkou rýchlosťou v blízkosti steny.Okrem toho zvýšenie Reynoldsovho čísla zvyšuje celkovú úroveň rýchlosti vo všetkých prierezoch, čím sa znižuje hrúbka oblasti s nízkou rýchlosťou v kanáli39.
Kovalentne a nekovalentne funkcionalizované grafénové nanovrstvy boli hodnotené v skrútených páskových vložkách s uhlami špirály 45° a 90°.Výmenník tepla je numericky riešený pomocou modelu turbulencie SST k-omega pri 7000 ≤ Re ≤ 17000. Termofyzikálne vlastnosti sú vypočítané pri Tin = 308 K. Súbežne zahrievajte krútenú stenu rúrky na konštantnú teplotu 330 K. COOH@DV) bol zriedený v troch hmotnostných množstvách, napríklad (0,025 % hmotn., 0,05 % hmotn. a 0,1 % hmotn.).Súčasná štúdia zvažovala šesť hlavných faktorov: výstupnú teplotu, koeficient prestupu tepla, priemerné Nusseltove číslo, koeficient trenia, tlakovú stratu a kritériá hodnotenia výkonu.Tu sú hlavné zistenia:
Priemerná výstupná teplota (\({{T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) je vždy menšia ako 1, čo znamená, že non-spread Výstupná teplota valenčných (ZNP-SDBS@DV) a kovalentných (ZNP-COOH@DV) nanokvapalín je nižšia ako teplota základnej kvapaliny.Priemerná výstupná teplota (\({{T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\)) hodnota > 1, čo naznačuje skutočnosť, že (45° a 90° uhol špirály) je výstupná teplota vyššia ako pri bežných rúrach.
V oboch prípadoch priemerné hodnoty vlastností prenosu tepla (nanofluid/základná kvapalina) a (skrútená trubica/normálna trubica) vždy vykazujú >1.Nekovalentné (GNPs-SDBS@DW) nanokvapaliny vykazovali vyšší priemerný nárast prenosu tepla, čo zodpovedá kovalentným (GNPs-COOH@DW) nanokvapalinám.
Priemerný koeficient trenia (\({f}_{Nanofluids}/{f}_{Basefluid}\)) nekovalentných (VNP-SDBS@DW) a kovalentných (VNP-COOH@DW) nanokvapalín je vždy ≈1 .trenie nekovalentných (ZNP-SDBS@DV) a kovalentných (ZNP-COOH@DV) nanokvapalín (\({f}_{Twisted}/{f}_{Plain}\)) vždy > 3.
V oboch prípadoch (45° a 90° uhol špirály) nanokvapaliny (GNPs-SDBS@DW) vykazovali vyššiu hodnotu (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) 0,025 % hmotn. pre 2,04 %, 0,05 % hmotn. pre 2,46 % a 0,1 % hmotn. pre 3,44 %.Medzitým (GNPs-COOH@DW) nanokvapaliny vykazovali nižšie hodnoty (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) z 1,31 % na 0,025 % hmotn. na 1,65 % je 0,05 % hmotn.Okrem toho priemerná tlaková strata (\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\) nekovalentných (GNPs-SDBS@DW) a kovalentných (GNPs-COOH@DW ))) nanokvapaliny vždy >3.
V oboch prípadoch (45° a 90° uhly špirály) nanokvapaliny (GNPs-SDBS@DW) vykazovali vyššiu hodnotu (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC} _{Basefluid}\)) @DW hodnotu) , napr. 0,025 hmotn. % – 1,17, 0,05 hmotn. % – 1,19, 0,1 hmotn. % – 1,26.V tomto prípade sú hodnoty (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\)) s použitím (GNPs-COOH@DW) nanokvapalín 1,02 pre 0,025 hm. %, 1,05 pre 0 05 % hmotn.% a 1,02 je 0,1 % hmotn.Okrem toho, pri Re = 11 000, 0,1 % hmotn.-HNPs@SDBS vykazovalo vyššie hodnoty (\({PEC}_{Twisted}/{PEC}_{Plain}\)), ako napríklad 1,25 pre uhol skrutkovice 45° a 90° uhol skrutkovice 1,27.
Thianpong, C. a kol.Viacúčelová optimalizácia toku nanofluidného oxidu titaničitého/vody vo výmenníku tepla, vylepšená vložkami skrútenej pásky s delta krídelkami.vnútorný J. Horúci.veda.172, 107318 (2022).
Langerudi, HG a Jawaerde, C. Experimentálna štúdia nenewtonského prúdenia tekutiny v mechoch vložených s typickými skrútenými páskami v tvare V.Prenos tepla a hmoty 55, 937-951 (2019).
Dong, X. a kol.Experimentálna štúdia charakteristík prestupu tepla a prietokového odporu špirálovo stočeného rúrkového výmenníka tepla [J].Teplota aplikácie.projektu.176, 115397 (2020).
Yongsiri, K., Eiamsa-Ard, P., Wongcharee, K. & Eiamsa-Ard, SJCS Zlepšený prenos tepla v turbulentnom kanálovom prúdení so šikmými oddeľovacími rebrami.aktuálny výskum.teplota.projektu.3, 1 – 10 (2014).
Čas odoslania: 17. marca 2023