Chemická složka spirálových trubek z nerezové oceli 304 ,Termodynamická analýza kovalentně a nekovalentně funkcionalizovaných grafenových nanolistů v kulatých trubkách vybavených turbulátory

Děkujeme, že jste navštívili Nature.com.Používáte verzi prohlížeče s omezenou podporou CSS.Chcete-li dosáhnout nejlepšího výsledku, doporučujeme použít aktualizovaný prohlížeč (nebo vypnout režim kompatibility v aplikaci Internet Explorer).Abychom zajistili trvalou podporu, zobrazujeme web bez stylů a JavaScriptu.
Posuvníky zobrazující tři články na snímku.Pro pohyb mezi snímky použijte tlačítka zpět a další, pro pohyb po jednotlivých snímcích použijte tlačítka posuvného ovladače na konci.

304 10*1mm Svinuté trubky z nerezové oceli v Číně

Velikost: 3/4 palce, 1/2 palce, 1 palce, 3 palce, 2 palce

Délka potrubí jednotky: 6 metrů

Třída oceli: 201, 304 A 316

Třída: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,

Materiál: NEREZOVÁ OCEL

Stav: Nové

Kovalentní a nekovalentní nanokapaliny byly testovány v kulatých zkumavkách vybavených kroucenými páskovými vložkami s úhly šroubovice 45° a 90°.Reynoldsovo číslo bylo 7000 ≤ Re ≤ 17000, termofyzikální vlastnosti byly hodnoceny při 308 K. Fyzikální model je řešen numericky pomocí dvouparametrového modelu turbulentní viskozity (SST k-omega turbulence).V práci byly uvažovány koncentrace (0,025 hm. %, 0,05 hm. % a 0,1 hm. %) nanofluidů ZNP-SDBS@DV a ZNP-COOH@DV.Stěny kroucených trubek se ohřívají na konstantní teplotu 330 K. V současné studii bylo uvažováno šest parametrů: výstupní teplota, koeficient prostupu tepla, průměrné Nusseltovo číslo, koeficient tření, tlaková ztráta a kritéria hodnocení výkonu.V obou případech (úhel šroubovice 45° a 90°) nanofluid ZNP-SDBS@DV vykazoval vyšší tepelně-hydraulické charakteristiky než ZNP-COOH@DV a zvyšoval se s rostoucím hmotnostním zlomkem, např. 0,025 hm.a 0,05 hmotn.je 1.19.% a 1,26 – 0,1 hm. %.V obou případech (úhel šroubovice 45° a 90°) jsou hodnoty termodynamických charakteristik při použití GNP-COOH@DW 1,02 pro 0,025 % hm., 1,05 pro 0,05 % hm.a 1,02 pro 0,1 % hm.
Tepelný výměník je termodynamické zařízení 1 používané k přenosu tepla během operací chlazení a ohřevu.Tepelně-hydraulické vlastnosti výměníku zlepšují součinitel prostupu tepla a snižují odpor pracovní tekutiny.Bylo vyvinuto několik metod pro zlepšení přenosu tepla, včetně zesilovačů turbulence2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 a nanofluidů12,13,14,15.Vkládání kroucené pásky je jednou z nejúspěšnějších metod pro zlepšení přenosu tepla ve výměnících tepla díky snadné údržbě a nízkým nákladům7,16.
V řadě experimentálních a výpočtových studií byly studovány hydrotermální vlastnosti směsí nanokapalin a výměníků tepla s vložkami kroucené pásky.V experimentální práci byly studovány hydrotermální vlastnosti tří různých kovových nanokapalin (Ag@DW, Fe@DW a Cu@DW) ve výměníku tepla s jehlou kroucenou páskou (STT).Ve srovnání se základní trubkou se součinitel prostupu tepla STT zlepšil o 11 % a 67 %.Rozložení SST je z ekonomického hlediska nejlepší z hlediska účinnosti s parametrem α = β = 0,33.Kromě toho bylo u Ag@DW pozorováno zvýšení n o 18,2 %, ačkoli maximální zvýšení tlakové ztráty bylo pouze 8,5 %.Fyzikální procesy přenosu tepla a tlakové ztráty v koncentrických potrubích s a bez spirálových turbulátorů byly studovány pomocí turbulentního proudění nanofluidů Al2O3@DW s nucenou konvekcí.Maximální průměrné Nusseltovo číslo (Nuavg) a tlaková ztráta jsou pozorovány při Re = 20 000, když rozteč cívky = 25 mm a Al2O3@DW nanofluid 1,6 obj. %.Byly také provedeny laboratorní studie ke studiu charakteristik přenosu tepla a tlakových ztrát nanofluidů oxidu grafenu (GO@DW) proudících téměř kruhovými trubicemi s WC vložkami.Výsledky ukázaly, že 0,12 obj.%-GO@DW zvýšilo součinitel prostupu tepla konvekcí asi o 77%.V další experimentální studii byly vyvinuty nanokapaliny (TiO2@DW) pro studium tepelně-hydraulických charakteristik trubek s důlky opatřených vložkami z kroucené pásky20.Maximální hydrotermální účinnosti 1,258 bylo dosaženo s použitím 0,15 obj.%-TiO2@DW zabudovaného do 45° nakloněných hřídelí s krouceným faktorem 3,0.Jednofázové a dvoufázové (hybridní) simulační modely zohledňují proudění a přenos tepla nanofluidů CuO@DW při různých koncentracích pevných látek (1–4 % obj. %)21.Maximální tepelná účinnost trubky vložené s jednou kroucenou páskou je 2,18 a trubice vložené se dvěma kroucenými pásky za stejných podmínek je 2,04 (dvoufázový model, Re = 36 000 a 4 obj. %).Byl studován nenewtonský turbulentní nanofluidní tok karboxymethylcelulózy (CMC) a oxidu měďnatého (CuO) v hlavních trubkách a trubkách s kroucenými vložkami.Nuavg ukazuje zlepšení o 16,1 % (pro hlavní potrubí) a 60 % (pro stočené potrubí s poměrem (H/D = 5)).Obecně platí, že nižší poměr zkroucení k žebru vede k vyššímu koeficientu tření.V experimentální studii byl studován vliv trubek s kroucenou páskou (TT) a cívkami (VC) na vlastnosti přenosu tepla a koeficient tření pomocí nanofluidů CuO@DW.Použití 0,3 obj.%-CuO@DW při Re = 20 000 umožňuje zvýšit přestup tepla v potrubí VK-2 na maximální hodnotu 44,45 %.Navíc při použití kroucené dvoulinky a vložky cívky za stejných okrajových podmínek se koeficient tření zvyšuje o faktory 1,17 a 1,19 ve srovnání s DW.Obecně platí, že tepelná účinnost nanokapalin vkládaných do cívek je lepší než u nanokapalin vkládaných do lankových drátů.Objemová charakteristika turbulentního (MWCNT@DW) toku nanokapaliny byla studována uvnitř horizontální trubice zasunuté do spirálového drátu.Parametry tepelného výkonu byly > 1 pro všechny případy, což naznačuje, že kombinace nanofluidika s vložkou cívky zlepšuje přenos tepla bez spotřeby energie čerpadla.Abstrakt—Hydrotermální charakteristiky dvoutrubkového výměníku tepla s různými vložkami vyrobenými z modifikovaného krouceně stočeného pásku ve tvaru V (VcTT) byly studovány v podmínkách turbulentního proudění nanokapaliny Al2O3 + TiO2@DW.Ve srovnání s DW v základních trubkách má Nuavg výrazné zlepšení o 132 % a koeficient tření až 55 %.Kromě toho byla diskutována energetická účinnost nanokompozitu Al2O3+TiO2@DW ve dvoutrubkovém výměníku tepla26.Ve své studii zjistili, že použití Al2O3 + TiO2@DW a TT zlepšilo účinnost exergie ve srovnání s DW.V koncentrických trubkových výměnících tepla s turbulátory VcTT použili Singh a Sarkar27 materiály s fázovou změnou (PCM), dispergované jednoduché/nanokompozitní nanokapaliny (Al2O3@DW s PCM a Al2O3 + PCM).Uvedli, že přenos tepla a tlaková ztráta se zvyšují, když se součinitel zkroucení snižuje a koncentrace nanočástic se zvyšuje.Větší faktor hloubky V-zářezu nebo menší faktor šířky může zajistit větší přenos tepla a tlakové ztráty.Kromě toho byla grafen-platina (Gr-Pt) použita ke zkoumání tepla, tření a celkové rychlosti vytváření entropie v trubkách s vložkami 2-TT28.Jejich studie ukázala, že menší procento (Gr-Pt) významně snížilo tvorbu tepelné entropie ve srovnání s relativně vyšším vývojem třecí entropie.Smíšené nanofluidy Al2O3@MgO a kónické WC lze považovat za dobrou směs, protože zvýšený poměr (h/Δp) může zlepšit hydrotermální výkon dvoutrubkového výměníku tepla 29 .Numerický model se používá k vyhodnocení energetické úspory a environmentální výkonnosti výměníků tepla s různými třísložkovými hybridními nanokapalinami (THNF) (Al2O3 + grafen + MWCNT) suspendovanými v DW30.Vzhledem ke kritériím hodnocení výkonnosti (PEC) v rozsahu 1,42–2,35 je vyžadována kombinace vložky DTTI (Depressed Twisted Turbulizer Insert) a (Al2O3 + grafen + MWCNT).
Doposud byla věnována malá pozornost úloze kovalentní a nekovalentní funkcionalizace v hydrodynamickém proudění v termálních tekutinách.Specifickým účelem této studie bylo porovnat tepelně-hydraulické charakteristiky nanokapalin (ZNP-SDBS@DV) a (ZNP-COOH@DV) v kroucených páskových vložkách s úhly šroubovice 45° a 90°.Termofyzikální vlastnosti byly měřeny při cínu = 308 K. V tomto případě byly při srovnávacím procesu vzaty v úvahu tři hmotnostní frakce, jako (0,025 hm. %, 0,05 hm. % a 0,1 hm. %).K řešení tepelně-hydraulických charakteristik je použit přenos smykového napětí v 3D modelu turbulentního proudění (SST k-ω).Tato studie tak významně přispívá ke studiu pozitivních vlastností (přenos tepla) a negativních vlastností (pokles tlaku při tření), demonstruje tepelně-hydraulické charakteristiky a optimalizaci reálných pracovních kapalin v takových inženýrských systémech.
Základní konfigurace je hladká trubka (L = 900 mm a Dh = 20 mm).Rozměry vložené kroucené pásky (délka = 20 mm, tloušťka = 0,5 mm, profil = 30 mm).V tomto případě byla délka, šířka a zdvih spirálového profilu 20 mm, 0,5 mm a 30 mm.Zkroucené pásky jsou nakloněny pod úhlem 45° a 90°.Různé pracovní tekutiny jako DW, nekovalentní nanofluidy (GNF-SDBS@DW) a kovalentní nanofluidy (GNF-COOH@DW) při Tin = 308 K, tři různé hmotnostní koncentrace a různá Reynoldsova čísla.Testy byly provedeny uvnitř výměníku tepla.Vnější stěna spirálové trubice byla zahřátá na konstantní povrchovou teplotu 330 K pro testování parametrů pro zlepšení přenosu tepla.
Na Obr.1 schematicky znázorňuje trubici pro vkládání kroucené pásky s použitelnými okrajovými podmínkami a oblastí sítě.Jak bylo zmíněno dříve, rychlostní a tlakové okrajové podmínky platí pro vstupní a výstupní části šroubovice.Při konstantní povrchové teplotě je na stěně potrubí kladena neklouzavá podmínka.Současná numerická simulace využívá řešení založené na tlaku.Zároveň je použit program (ANSYS FLUENT 2020R1) pro převod parciální diferenciální rovnice (PDE) na systém algebraických rovnic metodou konečných objemů (FMM).Metoda SIMPLE druhého řádu (semiimplicitní metoda pro sekvenční tlakově závislé rovnice) souvisí s rychlostí-tlak.Je třeba zdůraznit, že konvergence reziduí pro rovnice hmotnosti, hybnosti a energie je menší než 103 a 106.
p Diagram fyzikálních a výpočtových oblastí: (a) úhel šroubovice 90°, (b) úhel šroubovice 45°, (c) žádná šroubovitá čepel.
K vysvětlení vlastností nanokapalin se používá homogenní model.Začleněním nanomateriálů do základní tekutiny (DW) vzniká spojitá tekutina s vynikajícími tepelnými vlastnostmi.V tomto ohledu má teplota a rychlost základní tekutiny a nanomateriálu stejnou hodnotu.Vzhledem k výše uvedeným teoriím a předpokladům v této studii funguje efektivní jednofázové proudění.Několik studií prokázalo účinnost a použitelnost jednofázových technik pro nanofluidní tok31,32.
Proudění nanokapalin musí být newtonovské turbulentní, nestlačitelné a stacionární.Kompresní práce a viskózní ohřev jsou v této studii irelevantní.Navíc se nebere v úvahu tloušťka vnitřní a vnější stěny potrubí.Proto rovnice hmotnosti, hybnosti a zachování energie, které definují tepelný model, lze vyjádřit následovně:
kde \(\overrightarrow{V}\) je vektor střední rychlosti, Keff = K + Kt je efektivní tepelná vodivost kovalentních a nekovalentních nanokapalin a ε je míra disipace energie.Efektivní termofyzikální vlastnosti nanokapalin, včetně hustoty (ρ), viskozity (μ), měrné tepelné kapacity (Cp) a tepelné vodivosti (k), uvedené v tabulce, byly měřeny během experimentální studie při teplotě 308 K1 při použití v těchto simulátorech.
Numerické simulace turbulentního proudění nanokapaliny v konvenčních a TT trubicích byly provedeny při Reynoldsových číslech 7000 ≤ Re ≤ 17 000. Tyto simulace a koeficienty přestupu tepla konvekcí byly analyzovány pomocí Mentorova κ-ω turbulenčního modelu přenosu smykového napětí (SST) zprůměrovaného za Reynolds model Navier-Stokes, běžně používaný v aerodynamickém výzkumu.Model navíc funguje bez funkce stěny a je přesný u stěn 35,36.(SST) κ-ω řídící rovnice modelu turbulence jsou následující:
kde \(S\) je hodnota rychlosti deformace a \(y\) je vzdálenost k přilehlému povrchu.Mezitím \({\alpha}_{1}\), \({\alpha}_{2}\), \({\beta}_{1}\), \({\beta}_{ 2 }\), \({\beta}^{*}\), \({\sigma}_{{k}_{1}}\), \({\sigma}_{{k}_{ 2 }}\), \({\sigma}_{{\omega}_{1}}\) a \({\sigma}_{{\omega}_{2}}\) označují všechny konstanty modelu.F1 a F2 jsou smíšené funkce.Poznámka: F1 = 1 v mezní vrstvě, 0 v přicházejícím toku.
Parametry hodnocení výkonnosti se používají ke studiu turbulentního konvekčního přenosu tepla, kovalentního a nekovalentního proudění nanokapaliny, například31:
V tomto kontextu se (\(\rho\)), (\(v\)), (\({D}_{h}\)) a (\(\mu\)) používají pro hustotu, rychlost tekutiny , hydraulický průměr a dynamická viskozita.(\({C}_{p}\, \mathrm{u}\, k\)) – měrná tepelná kapacita a tepelná vodivost proudící tekutiny.Také (\(\dot{m}\)) odkazuje na hmotnostní průtok a (\({T}_{out}-{T}_{in}\)) odkazuje na vstupní a výstupní teplotní rozdíl.(NFs) označuje kovalentní, nekovalentní nanofluidy a (DW) označuje destilovanou vodu (základní tekutinu).\({A}_{s} = \pi DL\), \({\overline{T}}_{f}=\frac{\left({T}_{out}-{T}_{in }\right)}{2}\) a \({\overline{T}}_{w}=\sum \frac{{T}_{w}}{n}\).
Termofyzikální vlastnosti základní tekutiny (DW), nekovalentní nanokapaliny (GNF-SDBS@DW) a kovalentní nanokapaliny (GNF-COOH@DW) byly převzaty z publikované literatury (experimentální studie), Sn = 308 K, as znázorněno v tabulce 134. V typickém experimentu k získání nekovalentní (GNP-SDBS@DW) nanokapaliny se známými hmotnostními procenty byly určité gramy primárních GNP zpočátku zváženy na digitálních váze.Hmotnostní poměr SDBS/nativní HNP je (0,5:1) vážen v DW.V tomto případě byly syntetizovány kovalentní (COOH-GNP@DW) nanofluidy přidáním karboxylových skupin na povrch GNP pomocí silně kyselého média s objemovým poměrem (1:3) HNO3 a H2SO4.Kovalentní a nekovalentní nanokapaliny byly suspendovány v DW ve třech různých hmotnostních procentech, jako je 0,025 % hmotn., 0,05 % hmotn.a 0,1 % hmotnosti.
Testy nezávislosti sítě byly provedeny ve čtyřech různých výpočetních oblastech, aby se zajistilo, že velikost sítě neovlivní simulaci.V případě torzní trubky 45° je počet jednotek s velikostí jednotky 1,75 mm 249 033, počet jednotek s velikostí jednotky 2 mm je 307 969, počet jednotek s velikostí jednotky 2,25 mm je 421 406 a počet jednotek s velikostí jednotky 2,5 mm 564 940 resp.Navíc v příkladu trubky kroucené o 90° je počet prvků s velikostí prvku 1,75 mm 245 531, počet prvků s velikostí prvku 2 mm je 311 584, počet prvků s velikostí prvku 2,25 mm je 422 708 a počet prvků s velikostí prvku 2,5 mm je 573 826.Přesnost odečtů tepelných vlastností, jako jsou (Tout, htc a Nuavg), se zvyšuje se snižujícím se počtem prvků.Zcela odlišné chování přitom vykazovala přesnost hodnot koeficientu tření a tlakové ztráty (obr. 2).Pro vyhodnocení tepelně-hydraulických charakteristik v simulovaném případě byla jako hlavní oblast mřížky použita mřížka (2).
Testování výkonu přenosu tepla a poklesu tlaku nezávisle na síti pomocí párů trubek DW zkroucených pod úhlem 45° a 90°.
Současné numerické výsledky byly ověřeny pro výkon přenosu tepla a koeficient tření pomocí dobře známých empirických korelací a rovnic, jako jsou Dittus-Belter, Petukhov, Gnelinsky, Notter-Rouse a Blasius.Srovnání bylo provedeno za podmínky 7000≤Re≤17000.Podle Obr.3, průměrné a maximální chyby mezi výsledky simulace a rovnicí přenosu tepla jsou 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).Růže).V tomto případě jsou průměrné a maximální chyby mezi výsledky simulace a rovnicí koeficientu tření 7,346 % a 8,039 % (Blasius) a 8,117 % a 9,002 % (Petukhov).
Přenos tepla a hydrodynamické vlastnosti DW při různých Reynoldsových číslech pomocí numerických výpočtů a empirických korelací.
Tato část pojednává o tepelných vlastnostech nekovalentních (LNP-SDBS) a kovalentních (LNP-COOH) vodných nanokapalin při třech různých hmotnostních frakcích a Reynoldsových číslech jako průměry vzhledem k základní tekutině (DW).Pro 7000 ≤ Re ≤ 17000 jsou diskutovány dvě geometrie výměníků tepla se spirálovým pásem (úhel šroubovice 45° a 90°).4 ukazuje průměrnou teplotu na výstupu nanokapaliny do základní tekutiny (DW) (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{ DW}}\)) při (0,025 % hmotn., 0,05 % hmotn. a 0,1 % hmotn.).(\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) je vždy menší než 1, což znamená, že výstupní teplota je nekovalentní (VNP-SDBS) a kovalentní (VNP-COOH) nanokapaliny jsou pod teplotou na výstupu základní kapaliny.Nejnižší a nejvyšší snížení bylo 0,1 % hmotn.-COOH@GNP a 0,1 % hmotn.-SDBS@GNP, v daném pořadí.Tento jev je způsoben zvýšením Reynoldsova čísla při konstantním hmotnostním zlomku, což vede ke změně vlastností nanokapaliny (tedy hustoty a dynamické viskozity).
Obrázky 5 a 6 ukazují průměrné charakteristiky přenosu tepla nanokapaliny do základní tekutiny (DW) při (0,025 % hmotn., 0,05 % hmotn. a 0,1 % hmotn.).Průměrné vlastnosti přenosu tepla jsou vždy větší než 1, což znamená, že vlastnosti přenosu tepla nekovalentních (LNP-SDBS) a kovalentních (LNP-COOH) nanokapalin jsou ve srovnání se základní kapalinou lepší.0,1 % hmotn.-COOH@GNP a 0,1 % hmotn.-SDBS@GNP dosáhlo nejnižšího a nejvyššího zisku.Když se Reynoldsovo číslo zvýší v důsledku většího promíchávání kapaliny a turbulence v potrubí 1, zlepší se výkon přenosu tepla.Kapaliny skrz malé mezery dosahují vyšších rychlostí, což má za následek tenčí hraniční vrstvu rychlost/teplo, což zvyšuje rychlost přenosu tepla.Přidání více nanočástic do základní tekutiny může mít pozitivní i negativní výsledky.Mezi příznivé účinky patří zvýšené srážky nanočástic, příznivé požadavky na tepelnou vodivost kapalin a zvýšený přenos tepla.
Koeficient přenosu tepla nanokapaliny do základní kapaliny v závislosti na Reynoldsově čísle pro 45° a 90° trubky.
Negativním efektem je zároveň zvýšení dynamické viskozity nanofluidu, které snižuje pohyblivost nanofluidu, čímž se snižuje průměrné Nusseltovo číslo (Nuavg).Zvýšená tepelná vodivost nanokapalin (ZNP-SDBS@DW) a (ZNP-COOH@DW) by měla být způsobena Brownovým pohybem a mikrokonvekcí grafenových nanočástic suspendovaných v DW37.Tepelná vodivost nanokapaliny (ZNP-COOH@DV) je vyšší než u nanokapaliny (ZNP-SDBS@DV) a destilované vody.Přidáním více nanomateriálů do základní tekutiny se zvýší jejich tepelná vodivost (tabulka 1)38.
Obrázek 7 znázorňuje průměrný koeficient tření nanokapalin se základní tekutinou (DW) (f(NFs)/f(DW)) v hmotnostních procentech (0,025 %, 0,05 % a 0,1 %).Průměrný koeficient tření je vždy ≈1, což znamená, že nekovalentní (GNF-SDBS@DW) a kovalentní (GNF-COOH@DW) nanokapaliny mají stejný koeficient tření jako základní tekutina.Tepelný výměník s menším prostorem vytváří větší překážku proudění a zvyšuje tření proudění1.V zásadě se koeficient tření mírně zvyšuje s rostoucí hmotnostní frakcí nanokapaliny.Vyšší ztráty třením jsou způsobeny zvýšenou dynamickou viskozitou nanokapaliny a zvýšeným smykovým napětím na povrchu s vyšším hmotnostním procentem nanografenu v základní tekutině.Tabulka (1) ukazuje, že dynamická viskozita nanokapaliny (ZNP-SDBS@DV) je vyšší než dynamická viskozita nanokapaliny (ZNP-COOH@DV) při stejném hmotnostním procentu, což je spojeno s přidáním povrchových efektů.aktivní látky na nekovalentní nanokapalině.
Na Obr.8 ukazuje nanofluid ve srovnání se základní kapalinou (DW) (\(\frac{{\Delta P}_{NFs}}{{\Delta P}_{DW}}\)) při (0,025 %, 0,05 % a 0,1 % ).Nekovalentní (GNPs-SDBS@DW) nanokapalina vykazovala vyšší průměrnou tlakovou ztrátu a se zvýšením hmotnostního procenta na 2,04 % pro 0,025 % hm., 2,46 % pro 0,05 % hm.a 3,44 % pro 0,1 % hm.se zvětšením pouzdra (úhel šroubovice 45° a 90°).Mezitím nanofluid (GNPs-COOH@DW) vykazoval nižší průměrnou tlakovou ztrátu, která se zvýšila z 1,31 % na 0,025 % hm.až 1,65 % při 0,05 % hm.Průměrná tlaková ztráta 0,05 % hmotn.-COOH@NP a 0,1 % hmotn.-COOH@NP je 1,65 %.Jak je vidět, tlaková ztráta se zvyšuje se zvyšujícím se číslem Re ve všech případech.Zvýšený pokles tlaku při vysokých hodnotách Re je indikován přímou závislostí na objemovém průtoku.Proto vyšší číslo Re v trubici vede k vyššímu poklesu tlaku, což vyžaduje zvýšení výkonu čerpadla39,40.Kromě toho jsou tlakové ztráty vyšší v důsledku vyšší intenzity vírů a turbulencí generovaných větší plochou, což zvyšuje interakci tlakových a setrvačných sil v mezní vrstvě1.
Obecně jsou kritéria hodnocení výkonnosti (PEC) pro nekovalentní (VNP-SDBS@DW) a kovalentní (VNP-COOH@DW) nanokapaliny znázorněny na Obr.9. Nanofluid (ZNP-SDBS@DV) vykazoval vyšší hodnoty PEC než (ZNP-COOH@DV) v obou případech (úhel šroubovice 45° a 90°) a byl zlepšen zvýšením hmotnostního zlomku, např. 0,025 % hmotn.% je 1,17, 0,05 % hmotn. je 1,19 a 0,1 % hmotn. je 1,26.Mezitím hodnoty PEC při použití nanofluidů (GNPs-COOH@DW) byly 1,02 pro 0,025 % hmotn., 1,05 pro 0,05 % hmotn., 1,05 pro 0,1 % hmotn.v obou případech (úhel šroubovice 45° a 90°).1.02.S nárůstem Reynoldsova čísla zpravidla výrazně klesá tepelně-hydraulická účinnost.S rostoucím Reynoldsovým číslem je pokles koeficientu tepelně-hydraulické účinnosti systematicky spojen se zvýšením (NuNFs/NuDW) a poklesem (fNFs/fDW).
Hydrotermální vlastnosti nanokapalin s ohledem na základní tekutiny v závislosti na Reynoldsových číslech pro trubice s úhly 45° a 90°.
Tato část pojednává o tepelných vlastnostech vody (DW), nekovalentních (VNP-SDBS@DW) a kovalentních (VNP-COOH@DW) nanokapalin při třech různých hmotnostních koncentracích a Reynoldsových číslech.Pro vyhodnocení průměrného tepelně-hydraulického výkonu byly uvažovány dvě geometrie výměníků tepla se spirálovým pásem v rozsahu 7000 ≤ Re ≤ 17000 s ohledem na konvenční potrubí (úhly šroubovice 45° a 90°).Na Obr.10 ukazuje teplotu vody a nanokapalin na výstupu jako průměr pomocí (úhel šroubovice 45° a 90°) pro běžné potrubí (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{ {T} _{out}}_{Regular}}\)).Nekovalentní (GNP-SDBS@DW) a kovalentní (GNP-COOH@DW) nanokapaliny mají tři různé hmotnostní frakce, jako je 0,025 % hmotn., 0,05 % hmotn. a 0,1 % hmotn.Jak je znázorněno na Obr.11, průměrná hodnota výstupní teploty (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{{T}_{out}}_{Plain}}\)) > 1, což ukazuje, že (45° a 90° úhel šroubovice) je teplota na výstupu z tepelného výměníku významnější než u konvenčního potrubí, kvůli větší intenzitě turbulence a lepšímu promíchání kapaliny.Navíc teplota na výstupu DW, nekovalentních a kovalentních nanokapalin klesala s rostoucím Reynoldsovým číslem.Základní kapalina (DW) má nejvyšší střední výstupní teplotu.Mezitím se nejnižší hodnota vztahuje k 0,1 % hmotn.-SDBS@HNP.Nekovalentní (GNPs-SDBS@DW) nanokapaliny vykazovaly nižší průměrnou výstupní teplotu ve srovnání s kovalentními (GNPs-COOH@DW) nanokapaliny.Vzhledem k tomu, že zkroucená páska způsobuje, že proudové pole je více promícháno, tepelný tok v blízkosti stěny může snadněji procházet kapalinou, čímž se zvyšuje celková teplota.Nižší poměr kroucení k pásce má za následek lepší pronikání a tím lepší přenos tepla.Na druhou stranu je vidět, že navinutá páska udržuje u stěny nižší teplotu, což zase zvyšuje Nuavg.U kroucených páskových vložek znamená vyšší hodnota Nuavg zlepšený přenos tepla konvekcí v trubici22.V důsledku zvýšené dráhy toku a dodatečného míchání a turbulence se prodlužuje doba zdržení, což má za následek zvýšení teploty kapaliny na výstupu41.
Reynoldsova čísla různých nanokapalin vzhledem k výstupní teplotě konvenčních trubek (45° a 90° úhly šroubovice).
Koeficienty přestupu tepla (45° a 90° úhel šroubovice) versus Reynoldsova čísla pro různé nanokapaliny ve srovnání s konvenčními trubicemi.
Hlavní mechanismus zlepšeného přenosu tepla vinuté pásky je následující: 1. Zmenšení hydraulického průměru teplosměnné trubky vede ke zvýšení rychlosti proudění a zakřivení, což zase zvyšuje smykové napětí na stěně a podporuje sekundární pohyb.2. V důsledku zablokování navíjecí pásky se rychlost na stěně trubky zvyšuje a tloušťka mezní vrstvy se snižuje.3. Spirálové proudění za stočeným pásem vede ke zvýšení rychlosti.4. Indukované víry zlepšují promíchávání tekutiny mezi centrálními a blízkými oblastmi toku42.Na Obr.11 a Obr.12 ukazuje vlastnosti přenosu tepla DW a nanokapalin, například (součinitel přenosu tepla a průměrné Nusseltovo číslo) jako průměry s použitím kroucených vkládacích trubiček ve srovnání s konvenčními trubicemi.Nekovalentní (GNP-SDBS@DW) a kovalentní (GNP-COOH@DW) nanokapaliny mají tři různé hmotnostní frakce, jako je 0,025 % hmotn., 0,05 % hmotn. a 0,1 % hmotn.V obou tepelných výměnících (45° a 90° úhel šroubovice) je průměrný výkon přenosu tepla >1, což ukazuje na zlepšení koeficientu prostupu tepla a průměrného Nusseltova čísla se stočenými trubkami ve srovnání s konvenčními trubkami.Nekovalentní (GNPs-SDBS@DW) nanokapaliny vykazovaly vyšší průměrné zlepšení přenosu tepla než kovalentní (GNPs-COOH@DW) nanofluidy.Při Re = 900 bylo 0,1 % hmotn. zlepšení výkonu přenosu tepla -SDBS@GNPs pro dva tepelné výměníky (úhel šroubovice 45° a 90°) nejvyšší s hodnotou 1,90.To znamená, že rovnoměrný efekt TP je důležitější při nižších rychlostech tekutiny (Reynoldsovo číslo)43 a zvyšující se intenzitě turbulence.V důsledku zavedení více vírů jsou koeficient přenosu tepla a průměrný Nusseltův počet TT trubek vyšší než u konvenčních trubek, což má za následek tenčí mezní vrstvu.Zvyšuje přítomnost HP intenzitu turbulence, míchání proudů pracovní tekutiny a lepší přenos tepla ve srovnání se základními trubkami (bez vložení kroucené kroucené pásky)21.
Průměrné Nusseltovo číslo (úhel šroubovice 45° a 90°) versus Reynoldsovo číslo pro různé nanokapaliny ve srovnání s konvenčními trubicemi.
Obrázky 13 a 14 ukazují průměrný koeficient tření (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain}}\)) a tlakovou ztrátu (\(\frac{{\Delta P}} _ {Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\}} asi 45° a 90° pro konvenční potrubí používající nanokapaliny DW, iontoměnič (GNPs-SDBS@DW) a (GNPs-COOH@DW) obsahuje ( 0,025 hmotn. %, 0,05 hmotn. % a 0,1 hmotn. %). { {f}_{Plain} }\)) a tlaková ztráta (\(\frac{{ \Delta P}_{Twisted}}{{\Delta P }_{Plain}}\}) pokles.případech, koeficient tření a tlaková ztráta jsou vyšší při nižších Reynoldsových číslech Průměrný koeficient tření a tlaková ztráta jsou mezi 3,78 a 3,12 Průměrný koeficient tření a tlaková ztráta ukazují, že (45° šroubovice úhel a 90°) stojí výměník tepla třikrát vyšší než běžné trubky.Navíc, když pracovní tekutina proudí vyšší rychlostí, součinitel tření se snižuje. Problém nastává, protože jak Reynoldsovo číslo roste, tloušťka mezní vrstvy klesá, což vede ke snížení vlivu dynamické viskozity na postiženou oblast, ke snížení gradientů rychlosti a smykových napětí a následně ke snížení koeficientu tření21.Zlepšený blokovací účinek díky přítomnosti TT a zvýšené víření má za následek výrazně vyšší tlakové ztráty u heterogenních TT trubek než u základních trubek.Navíc jak u základní trubky, tak u trubky TT je vidět, že pokles tlaku roste s rychlostí pracovní tekutiny43.
Koeficient tření (45° a 90° úhel šroubovice) versus Reynoldsovo číslo pro různé nanokapaliny ve srovnání s konvenčními trubicemi.
Ztráta tlaku (45° a 90° úhel šroubovice) jako funkce Reynoldsova čísla pro různé nanokapaliny ve srovnání s konvenční trubicí.
Stručně řečeno, obrázek 15 ukazuje kritéria hodnocení výkonu (PEC) pro výměníky tepla s úhly 45° a 90° ve srovnání s hladkými trubkami (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}} \ )) v (0,025 hm. %, 0,05 hm. % a 0,1 hm. %) za použití DV, (VNP-SDBS@DV) a kovalentních (VNP-COOH@DV) nanokapalin.Hodnota (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) > 1 v obou případech (45° a 90° úhel šroubovice) ve výměníku tepla.Navíc (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) dosahuje své nejlepší hodnoty při Re = 11 000.Tepelný výměník 90° vykazuje mírné zvýšení (\ (\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) ve srovnání s výměníkem tepla 45°., Při Re = 11 000 0,1 % hm.-GNPs@SDBS představuje vyšší hodnoty (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)), např. 1,25 pro roh výměníku tepla 45° a 1,27 pro 90° rohový výměník tepla.Je větší než jedna ve všech procentech hmotnostního zlomku, což naznačuje, že trubky s kroucenými páskovými vložkami jsou lepší než běžné trubky.Je pozoruhodné, že zlepšený přenos tepla poskytovaný páskovými vložkami vedl k významnému zvýšení ztrát třením22.
Kritéria účinnosti pro Reynoldsův počet různých nanokapalin ve vztahu ke konvenčním trubicím (úhel šroubovice 45° a 90°).
Příloha A ukazuje proudnice pro 45° a 90° výměníky tepla při Re = 7000 s použitím DW, 0,1 % hmotn.-GNP-SDBS@DW a 0,1 % hmotn.-GNP-COOH@DW.Proudnice v příčné rovině jsou nejnápadnějším rysem účinku kroucených páskových vložek na hlavní tok.Použití 45° a 90° výměníků tepla ukazuje, že rychlost v oblasti blízko stěny je přibližně stejná.Mezitím příloha B ukazuje průběhy rychlosti pro 45° a 90° výměníky tepla při Re = 7000 s použitím DW, 0,1 % hmotn.-GNP-SDBS@DW a 0,1 % hmotn.-GNP-COOH@DW.Rychlostní smyčky jsou na třech různých místech (řezech), například Plain-1 (P1 = -30 mm), Plain-4 (P4 = 60 mm) a Plain-7 (P7 = 150 mm).Rychlost proudění v blízkosti stěny potrubí je nejnižší a rychlost tekutiny se zvyšuje směrem ke středu potrubí.Kromě toho se při průchodu vzduchovým potrubím zvyšuje oblast nízkých rychlostí v blízkosti stěny.To je způsobeno růstem hydrodynamické mezní vrstvy, která zvyšuje tloušťku oblasti s nízkou rychlostí v blízkosti stěny.Kromě toho zvýšení Reynoldsova čísla zvyšuje celkovou úroveň rychlosti ve všech průřezech, čímž se snižuje tloušťka oblasti s nízkou rychlostí v kanálu39.
Kovalentně a nekovalentně funkcionalizované grafenové nanovrstvy byly hodnoceny v kroucených páskových vložkách s úhly šroubovice 45° a 90°.Výměník tepla je numericky řešen pomocí modelu turbulence SST k-omega při 7000 ≤ Re ≤ 17000. Termofyzikální vlastnosti jsou vypočteny při Tin = 308 K. Souběžně zahřívejte kroucenou stěnu trubky na konstantní teplotu 330 K. COOH@DV) byl zředěn ve třech hmotnostních množstvích, například (0,025 % hmotn., 0,05 % hmotn. a 0,1 % hmotn.).Současná studie zvažovala šest hlavních faktorů: výstupní teplotu, koeficient prostupu tepla, průměrné Nusseltovo číslo, koeficient tření, tlakovou ztrátu a kritéria hodnocení výkonu.Zde jsou hlavní zjištění:
Průměrná výstupní teplota (\({{T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) je vždy menší než 1, což znamená, že non-spread Výstupní teplota valenčních (ZNP-SDBS@DV) a kovalentních (ZNP-COOH@DV) nanokapalin je nižší než teplota základní kapaliny.Mezitím průměrná výstupní teplota (\({{T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\)) hodnota > 1, což ukazuje na skutečnost, že (45° a 90° úhel šroubovice) je výstupní teplota vyšší než u běžných trubek.
V obou případech průměrné hodnoty vlastností přenosu tepla (nanofluid/základní kapalina) a (kroucená trubice/normální trubice) vždy ukazují >1.Nekovalentní (GNPs-SDBS@DW) nanokapaliny vykazovaly vyšší průměrné zvýšení přenosu tepla, což odpovídá kovalentním (GNPs-COOH@DW) nanofluidům.
Průměrný koeficient tření (\({f}_{Nanofluids}/{f}_{Basefluid}\)) nekovalentních (VNP-SDBS@DW) a kovalentních (VNP-COOH@DW) nanokapalin je vždy ≈1 .tření nekovalentních (ZNP-SDBS@DV) a kovalentních (ZNP-COOH@DV) nanokapalin (\({f}_{Twisted}/{f}_{Plain}\)) vždy > 3.
V obou případech (45° a 90° úhel šroubovice) vykazovaly nanofluidy (GNPs-SDBS@DW) vyšší hodnotu (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) 0,025 % hmotn. pro 2,04 %, 0,05 % hmotn. pro 2,46 % a 0,1 % hmotn. pro 3,44 %.Mezitím (GNPs-COOH@DW) nanofluidy vykázaly nižší (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) z 1,31 % pro 0,025 % hm. na 1,65 % je 0,05 % hmotn.Kromě toho průměrná tlaková ztráta (\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\) nekovalentní (GNPs-SDBS@DW) a kovalentní (GNPs-COOH@DW ))) nanokapaliny vždy >3.
V obou případech (úhly šroubovice 45° a 90°) vykazovaly nanofluidy (GNPs-SDBS@DW) vyšší hodnotu (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC} _{Basefluid}\)) @DW hodnotu) , např. 0,025 hm. % – 1,17, 0,05 hm. % – 1,19, 0,1 hm. % – 1,26.V tomto případě jsou hodnoty (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\)) s použitím (GNPs-COOH@DW) nanofluidů 1,02 pro 0,025 hm. %, 1,05 pro 0 05 % hmotn.% a 1,02 je 0,1 % hmotn.Navíc, při Re = 11 000, 0,1 % hm.-GNPs@SDBS vykazovalo vyšší hodnoty (\({PEC}_{Twisted}/{PEC}_{Plain}\)), například 1,25 pro úhel šroubovice 45° a úhel šroubovice 90° 1,27.
Thianpong, C. a kol.Víceúčelová optimalizace toku nanofluidního oxidu titaničitého/vody ve výměníku tepla, vylepšená o kroucené páskové vložky s delta křídly.vnitřní J. Horký.věda.172, 107318 (2022).
Langerudi, HG a Jawaerde, C. Experimentální studie nenewtonského proudění tekutiny v měchách vložených typickými kroucenými páskami ve tvaru V.Přenos tepla a hmoty 55, 937–951 (2019).
Dong, X. a kol.Experimentální studie charakteristik přenosu tepla a průtokového odporu spirálově stočeného trubkového výměníku tepla [J].Teplota aplikace.projekt.176, 115397 (2020).
Yongsiri, K., Eiamsa-Ard, P., Wongcharee, K. & Eiamsa-Ard, SJCS Zlepšený přenos tepla v turbulentním kanálovém proudění se šikmými oddělovacími žebry.aktuální výzkum.teplota.projekt.3, 1–10 (2014).