Термогидравлический анализ ковалентных и нековалентно функционализированных нанопластинок графена в круглой трубке, оснащенной турбулизаторами

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 17710 (2022) Цитировать эту статью

Ковалентные и нековалентные наножидкости были протестированы внутри круглой трубки, снабженной вставками из витой ленты с углами спирали 45° и 90°. Число Рейнольдса составляло 7000 < Re < 17 000, а теплофизические свойства оценивались при 308 К. Физическая модель решалась численно с помощью модели вихревой вязкости с двумя уравнениями (SST k-omega турбулентность). В данном исследовании рассматривались наножидкости GNPs-SDBS@DW и GNPs-COOH@DW с концентрациями (0,025 мас.%, 0,05 мас.% и 0,1 мас.%). Стенки скрученных труб нагревались при постоянной температуре 330 К. В настоящем исследовании учитывались шесть параметров: температура на выходе, коэффициент теплопередачи, среднее число Нуссельта, коэффициент трения, потери давления и критерий оценки производительности. В обоих случаях (углы спирали 45° и 90°) наножидкости GNPs-SDBS@DW демонстрировали более высокие термогидравлические характеристики, чем GNPs-COOH@DW, и увеличивались за счет увеличения массовых долей, таких как 1,17 для 0,025 мас.%, 1,19 для 0,05 мас.%. % и 1,26 для 0,1 мас.%. При этом в обоих случаях (углы спирали 45° и 90°) значение теплогидравлических показателей при использовании GNPs-COOH@DW составило 1,02 для 0,025 мас.%, 1,05 для 0,05 мас.% и 1,02 для 0,1 мас.%.

Теплообменники – это тепловые устройства, используемые для транспортировки тепла во время операций охлаждения и нагрева1. Теплогидравлические характеристики теплообменника повышают коэффициенты теплопередачи и снижают сопротивление рабочей жидкости. Были разработаны некоторые методы улучшения теплопередачи, в том числе промоторы турбулентности2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 и наножидкости12,13,14,15. Благодаря простоте обслуживания и низкой стоимости вставка витой ленты является одним из наиболее успешных способов улучшения теплопередачи в теплообменнике7,16.

В серии экспериментальных и расчетных исследований исследованы гидротермические характеристики смеси наножидкостей и теплообменника с витыми ленточными вставками. Экспериментальная работа исследовала гидротермальные свойства трех различных металлических наножидкостей (Ag@DW, Fe@DW и Cu@DW) внутри теплообменника с остроконечными скрученными лентами (STT)17. Коэффициент теплопередачи СТТ по сравнению с базовой трубой увеличился на 11 и 67%. Схема ССТ оказалась наиболее экономически эффективной по коэффициенту полезного действия с параметрами α = β = 0,33. Кроме того, при использовании Ag@DW наблюдалось увеличение n на 18,2%, хотя наибольшее увеличение потери давления составило всего 8,5%. Физические характеристики теплопередачи и потери давления в концентрической трубе с турбулизаторами с проволочной катушкой (WC) и без них были исследованы с использованием турбулентной принудительной конвекции потока наножидкости Al2O3@DW18. Максимальное среднее число Нуссельта (Nuavg) и потеря давления наблюдались при Re = 20 000, когда шаг катушки проволоки = 25 мм и 1,6 объемных % наножидкости Al2O3@DW. Также были проведены лабораторные исследования для изучения особенностей теплопередачи и потери давления наножидкостей из оксида графена (GO@DW), протекающих через базовую круглую трубку со вставками из WC19. Согласно результатам, 0,12 об.%-GO@DW повысило коэффициент конвективной теплопередачи примерно на 77%. В ходе дополнительного экспериментального исследования была разработана наножидкость (TiO2@DW), изучающая термогидравлические характеристики трубок с углублениями, оснащенных вставками из скрученной ленты20. Наибольший термогидравлический КПД 1,258 был достигнут при использовании TiO2@DW с концентрацией 0,15 об.% в наклоненной на 45° лунке и заделке с коэффициентом скрутки ленты 3,0. Однофазные и двухфазные (смешанные) имитационные модели решали течение и теплообмен наножидкости CuO@DW при различных концентрациях твердого вещества (1–4% по объему)21. Максимальный тепловой КПД в трубке с одной витой ленточной вставкой составил 2,18, а в трубке с двумя витыми ленточными вставками на тех же условиях (двухфазная модель, Re = 36000 и 4 объемных %) он составил 2,04. Неньютоновский турбулентный поток наножидкости карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) и оксида меди (CuO) был исследован в основной трубе и трубе с скрученными вставками22. Nuavg продемонстрировал улучшения на уровне 16,1% (для базовой трубы) и 60% [для витой трубы с соотношением (H/D = 5)]. Часто меньшее соотношение скрученной ленты приводит к более высокому коэффициенту трения. В экспериментальном исследовании изучалось влияние трубы, имеющей скрученную ленту (TT) и катушку проволоки (WC), на свойства теплопередачи и коэффициента трения с использованием наножидкости CuO@DW23. Использование 0,3 об.%-CuO@DW при Re = 20 000 позволило повысить теплоотдачу до максимального значения 44,45 % в трубке WC-2. Кроме того, при применении витых лент и проволочных вставок при тех же граничных условиях коэффициенты трения увеличились в 1,17 и 1,19 раза по сравнению с DW. В целом коэффициент тепловых характеристик наножидкостей со вставками из проволочной катушки был лучше, чем для вставок из витой ленты. Общие характеристики турбулентного потока наножидкости (MWCNTs@DW) были исследованы внутри горизонтальной трубы со вставленной спиральной проволокой24. Во всех случаях параметр тепловых характеристик был > 1, что указывает на то, что сочетание наножидкостей со вставками проволочных катушек улучшает передачу тепла без потребления мощности накачки. Эксперименты по изучению гидротермальных свойств в условиях турбулентного течения наножидкости Al2O3 + TiO2@DW проводились в двухтрубном теплообменнике с различными модифицированными вставками из витой ленты V-образного сечения (VcTT)25. Nuavg был значительно улучшен на 132%, а коэффициент трения достиг 55% по сравнению с DW в базовой трубе. Также обсуждалась эксергетическая эффективность нанокомпозита Al2O3 + TiO2@DW в двухтрубном теплообменнике26. В своих исследованиях они обнаружили, что использование Al2O3 + TiO2@DW и TT увеличивает эксергетический КПД по сравнению с DW. В теплообменнике с концентрическими трубками, имеющим турбулятор VcTT, Сингх и Саркар27 использовали материал с фазовым переходом (PCM) — дисперсные моно/нанокомпозитные наножидкости (Al2O3@DW с PCM и Al2O3 + PCM). Они сообщили, что теплопередача и потери давления увеличиваются, когда коэффициент скручивания уменьшается, а концентрация наночастиц увеличивается. Большая теплопередача и потеря давления были достигнуты за счет большей глубины V-образного выреза или меньшего соотношения ширины. Кроме того, графен-платина (Gr-Pt) была применена для изучения тепловой, фрикционной и общей скорости производства энтропии в трубках со вставками 2-TT28. Их исследование отметило, что меньший процент (Gr-Pt) значительно снижает образование тепловой энтропии, чем относительно увеличенное развитие энтропии трения. Гибридная наножидкость Al2O3@MgO и конический WC могут рассматриваться как хорошая смесь из-за улучшенного соотношения (h/Δp) для улучшения гидротермических свойств двухтрубного теплообменника29. Численная модель была использована для определения эксергоэкономической экологической эффективности теплообменника, содержащего различные трехчастные гибридные наножидкости (THNF) (Al2O3 + Графен + МУНТ), суспендированные в DW30. Комбинация вставки турбулизатора с ямочками (DTTI) и (Al2O3 + Графен + МУНТ) была желательной, поскольку ее критерии оценки эффективности (PEC) находились в диапазоне 1,42–2,35.