Grazie per aver visitato Nature.com.Stai utilizzando una versione del browser con supporto CSS limitato.Per un'esperienza ottimale, ti consigliamo di utilizzare un browser aggiornato (o disattivare la modalità compatibilità in Internet Explorer).Inoltre, per garantire un supporto continuo, mostriamo il sito senza stili e JavaScript.
Dispositivi di scorrimento che mostrano tre articoli per diapositiva.Utilizza i pulsanti Indietro e Avanti per spostarti tra le diapositive oppure i pulsanti del controller diapositiva alla fine per spostarti tra ciascuna diapositiva.
Tubi a spirale in acciaio inossidabile 304 10 * 1 mm in Cina
Dimensioni: 3/4 pollici, 1/2 pollici, 1 pollice, 3 pollici, 2 pollici
Lunghezza del tubo dell'unità: 6 metri
Grado di acciaio: 201, 304 E 316
Grado: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,
Materiale: ACCIAIO INOSSIDABILE
Condizione: Nuovo
Bobina del tubo in acciaio inossidabile
Dimensioni: 3/4 pollici, 1/2 pollici, 1 pollice, 3 pollici, 2 pollici
Lunghezza del tubo dell'unità: 6 metri
Grado di acciaio: 201, 304 E 316
Grado: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,
Materiale: ACCIAIO INOSSIDABILE
Condizione: Nuovo
Nanofluidi covalenti e non covalenti sono stati testati in tubi rotondi dotati di inserti di nastro ritorto con angoli dell'elica di 45° e 90°.Il numero di Reynolds era 7000 ≤ Re ≤ 17000, le proprietà termofisiche sono state valutate a 308 K. Il modello fisico è risolto numericamente utilizzando un modello di viscosità turbolenta a due parametri (turbolenza SST k-omega).Nel lavoro sono state considerate le concentrazioni (0,025 in peso, 0,05 in peso e 0,1 in peso%) dei nanofluidi ZNP-SDBS@DV e ZNP-COOH@DV.Le pareti dei tubi ritorti vengono riscaldate ad una temperatura costante di 330 K. Nel presente studio sono stati considerati sei parametri: temperatura di uscita, coefficiente di trasferimento di calore, numero di Nusselt medio, coefficiente di attrito, perdita di pressione e criteri di valutazione delle prestazioni.In entrambi i casi (angolo d'elica di 45° e 90°), il nanofluido ZNP-SDBS@DV ha mostrato caratteristiche termoidrauliche più elevate rispetto a ZNP-COOH@DV, ed è aumentato all'aumentare della frazione di massa, ad esempio dello 0,025e 0,05 in pesoè 1,19.% e 1,26 – 0,1% in peso.In entrambi i casi (angolo d'elica 45° e 90°), i valori delle caratteristiche termodinamiche quando si utilizza GNP-COOH@DW sono 1,02 per 0,025% p., 1,05 per 0,05% p.e 1,02 per lo 0,1% in peso.
Lo scambiatore di calore è un dispositivo termodinamico 1 utilizzato per trasferire il calore durante le operazioni di raffreddamento e riscaldamento.Le proprietà termoidrauliche dello scambiatore di calore migliorano il coefficiente di scambio termico e riducono la resistenza del fluido di lavoro.Sono stati sviluppati diversi metodi per migliorare il trasferimento di calore, inclusi potenziatori di turbolenza2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 e nanofluidi12,13,14,15.L'inserimento del nastro ritorto è uno dei metodi di maggior successo per migliorare il trasferimento di calore negli scambiatori di calore grazie alla facilità di manutenzione e al basso costo7,16.
In una serie di studi sperimentali e computazionali sono state studiate le proprietà idrotermali di miscele di nanofluidi e scambiatori di calore con inserti di nastro ritorto.In un lavoro sperimentale, le proprietà idrotermali di tre diversi nanofluidi metallici (Ag@DW, Fe@DW e Cu@DW) sono state studiate in uno scambiatore di calore a nastro ritorto ad ago (STT)17.Rispetto al tubo base, il coefficiente di trasferimento del calore di STT è migliorato dell'11% e del 67%.Lo schema SST è il migliore dal punto di vista economico in termini di efficienza con il parametro α = β = 0,33.Inoltre, con Ag@DW è stato osservato un aumento del 18,2% di n, sebbene l'aumento massimo della perdita di pressione sia stato solo dell'8,5%.I processi fisici di trasferimento di calore e perdita di pressione in tubi concentrici con e senza turbolatori a spirale sono stati studiati utilizzando flussi turbolenti di nanofluido Al2O3@DW con convezione forzata.Il numero di Nusselt medio massimo (Nuavg) e la perdita di pressione si osservano a Re = 20.000 quando il passo della bobina = 25 mm e il nanofluido Al2O3@DW 1,6 vol.%.Sono stati condotti studi di laboratorio anche per studiare le caratteristiche di trasferimento di calore e perdita di pressione dei nanofluidi di ossido di grafene (GO@DW) che fluiscono attraverso tubi quasi circolari con inserti WC.I risultati hanno mostrato che 0,12 vol%-GO@DW ha aumentato il coefficiente di scambio termico convettivo di circa il 77%.In un altro studio sperimentale, sono stati sviluppati nanofluidi (TiO2@DW) per studiare le caratteristiche termoidrauliche di tubi alveolati dotati di inserti di nastro ritorto20.L'efficienza idrotermale massima di 1,258 è stata ottenuta utilizzando 0,15 vol%-TiO2@DW incorporato in alberi inclinati a 45° con un fattore di torsione di 3,0.I modelli di simulazione monofase e bifase (ibridi) tengono conto del flusso e del trasferimento di calore dei nanofluidi CuO@DW a varie concentrazioni di solidi (1–4% vol.%)21.L'efficienza termica massima di un tubo inserito con un nastro attorcigliato è 2,18, e un tubo inserito con due nastri attorcigliati nelle stesse condizioni è 2,04 (modello bifase, Re = 36.000 e 4 vol.%).È stato studiato il flusso nanofluido turbolento non newtoniano di carbossimetilcellulosa (CMC) e ossido di rame (CuO) nei tubi principali e nei tubi con inserti ritorti.Nuavg mostra un miglioramento del 16,1% (per la tubazione principale) e del 60% (per la tubazione a spirale con un rapporto di (H/D = 5)).Generalmente, un rapporto torsione-nastro inferiore si traduce in un coefficiente di attrito più elevato.In uno studio sperimentale, l'effetto di tubi con nastro ritorto (TT) e bobine (VC) sulle proprietà di trasferimento di calore e coefficiente di attrito è stato studiato utilizzando nanofluidi CuO@DW.Utilizzando 0,3 vol.%-CuO@DW con Re = 20.000 consente di aumentare il trasferimento di calore nel tubo VK-2 ad un valore massimo del 44,45%.Inoltre, quando si utilizza un cavo a doppino intrecciato e un inserto a spirale nelle stesse condizioni limite, il coefficiente di attrito aumenta di fattori pari a 1,17 e 1,19 rispetto a DW.In generale, l’efficienza termica dei nanofluidi inseriti nelle bobine è migliore di quella dei nanofluidi inseriti nei fili intrecciati.La caratteristica volumetrica di un flusso nanofluido turbolento (MWCNT@DW) è stata studiata all'interno di un tubo orizzontale inserito in un filo a spirale.I parametri di prestazione termica erano > 1 in tutti i casi, indicando che la combinazione di nanofluidica con l'inserto della bobina migliora il trasferimento di calore senza consumare energia della pompa.Riassunto—Le caratteristiche idrotermali di uno scambiatore di calore a due tubi con vari inserti costituiti da un nastro a forma di V ritorto-ritorto modificato (VcTT) sono state studiate in condizioni di flusso turbolento del nanofluido Al2O3 + TiO2@DW.Rispetto al DW dei tubi base, Nuavg presenta un miglioramento significativo del 132% e un coefficiente di attrito fino al 55%.Inoltre, è stata discussa l’efficienza energetica del nanocomposito Al2O3+TiO2@DW in uno scambiatore di calore a due tubi26.Nel loro studio, hanno scoperto che l’uso di Al2O3 + TiO2@DW e TT ha migliorato l’efficienza exergetica rispetto al DW.Negli scambiatori di calore tubolari concentrici con turbolatori VcTT, Singh e Sarkar27 hanno utilizzato materiali a cambiamento di fase (PCM), nanofluidi singoli/nanocompositi dispersi (Al2O3@DW con PCM e Al2O3 + PCM).Hanno riferito che il trasferimento di calore e la perdita di pressione aumentano al diminuire del coefficiente di torsione e all’aumento della concentrazione di nanoparticelle.Un fattore di profondità dell'intaglio a V più grande o un fattore di larghezza più piccolo possono fornire un maggiore trasferimento di calore e una maggiore perdita di pressione.Inoltre, il grafene-platino (Gr-Pt) è stato utilizzato per studiare il calore, l'attrito e il tasso di generazione di entropia complessiva nei tubi con inserti 2-TT28.Il loro studio ha dimostrato che una percentuale minore di (Gr-Pt) ha ridotto significativamente la generazione di entropia termica rispetto a uno sviluppo di entropia frizionale relativamente più elevato.Nanofluidi misti Al2O3@MgO e WC conico possono essere considerati una buona miscela, poiché un rapporto maggiore (h/Δp) può migliorare le prestazioni idrotermali di uno scambiatore di calore a due tubi 29 .Un modello numerico viene utilizzato per valutare il risparmio energetico e le prestazioni ambientali degli scambiatori di calore con vari nanofluidi ibridi in tre parti (THNF) (Al2O3 + grafene + MWCNT) sospesi in DW30.A causa dei suoi criteri di valutazione delle prestazioni (PEC) compresi tra 1,42 e 2,35, è necessaria una combinazione di inserto turbolizzatore ritorto depresso (DTTI) e (Al2O3 + grafene + MWCNT).
Finora è stata prestata poca attenzione al ruolo della funzionalizzazione covalente e non covalente nel flusso idrodinamico dei fluidi termici.Lo scopo specifico di questo studio era quello di confrontare le caratteristiche termoidrauliche dei nanofluidi (ZNP-SDBS@DV) e (ZNP-COOH@DV) in inserti di nastro ritorto con angoli di elica di 45° e 90°.Le proprietà termofisiche sono state misurate a Stagno = 308 K. In questo caso, nel processo di confronto sono state prese in considerazione tre frazioni di massa, come ad esempio (0,025% in peso, 0,05% in peso e 0,1% in peso).Il trasferimento dello sforzo di taglio nel modello 3D di flusso turbolento (SST k-ω) viene utilizzato per risolvere le caratteristiche termoidrauliche.Pertanto, questo studio fornisce un contributo significativo allo studio delle proprietà positive (trasferimento di calore) e delle proprietà negative (caduta di pressione sull'attrito), dimostrando le caratteristiche termoidrauliche e l'ottimizzazione dei fluidi di lavoro reali in tali sistemi di ingegneria.
La configurazione base è a tubo liscio (L=900 mm e Dh=20 mm).Dimensioni del nastro ritorto inserito (lunghezza = 20 mm, spessore = 0,5 mm, profilo = 30 mm).In questo caso, la lunghezza, la larghezza e la corsa del profilo a spirale erano rispettivamente 20 mm, 0,5 mm e 30 mm.I nastri ritorti sono inclinati a 45° e 90°.Vari fluidi di lavoro come DW, nanofluidi non covalenti (GNF-SDBS@DW) e nanofluidi covalenti (GNF-COOH@DW) a Stagno = 308 K, tre diverse concentrazioni di massa e diversi numeri di Reynolds.I test sono stati eseguiti all'interno dello scambiatore di calore.La parete esterna del tubo a spirale è stata riscaldata ad una temperatura superficiale costante di 330 K per testare i parametri per migliorare il trasferimento di calore.
Nella fig.1 mostra schematicamente un tubo di inserimento del nastro ritorto con condizioni al contorno applicabili e area a maglie.Come accennato in precedenza, le condizioni al contorno di velocità e pressione si applicano alle porzioni di ingresso e di uscita dell'elica.A una temperatura superficiale costante, sulla parete del tubo viene imposta una condizione antiscivolo.L'attuale simulazione numerica utilizza una soluzione basata sulla pressione.Allo stesso tempo, un programma (ANSYS FLUENT 2020R1) viene utilizzato per convertire un'equazione alle derivate parziali (PDE) in un sistema di equazioni algebriche utilizzando il metodo dei volumi finiti (FMM).Il metodo SIMPLE del secondo ordine (metodo semi-implicito per equazioni sequenziali dipendenti dalla pressione) è correlato alla velocità-pressione.Va sottolineato che la convergenza dei residui per le equazioni di massa, quantità di moto ed energia è inferiore a 103 e 106, rispettivamente.
p Diagramma dei domini fisici e computazionali: (a) angolo dell'elica 90°, (b) angolo dell'elica 45°, (c) nessuna lama elicoidale.
Un modello omogeneo viene utilizzato per spiegare le proprietà dei nanofluidi.Incorporando nanomateriali nel fluido di base (DW), si forma un fluido continuo con eccellenti proprietà termiche.A questo proposito, la temperatura e la velocità del fluido base e del nanomateriale hanno lo stesso valore.A causa delle teorie e delle ipotesi di cui sopra, in questo studio funziona un flusso monofase efficiente.Numerosi studi hanno dimostrato l'efficacia e l'applicabilità delle tecniche monofase per il flusso nanofluidico31,32.
Il flusso dei nanofluidi deve essere turbolento newtoniano, incomprimibile e stazionario.Il lavoro di compressione e il riscaldamento viscoso sono irrilevanti in questo studio.Inoltre, non viene preso in considerazione lo spessore delle pareti interne ed esterne del tubo.Pertanto, le equazioni di conservazione di massa, quantità di moto ed energia che definiscono il modello termico possono essere espresse come segue:
dove \(\overrightarrow{V}\) è il vettore della velocità media, Keff = K + Kt è la conduttività termica effettiva dei nanofluidi covalenti e non covalenti e ε è il tasso di dissipazione dell'energia.Le proprietà termofisiche effettive dei nanofluidi, tra cui densità (ρ), viscosità (μ), capacità termica specifica (Cp) e conduttività termica (k), mostrate nella tabella, sono state misurate durante uno studio sperimentale ad una temperatura di 308 K1 quando utilizzati in questi simulatori.
Simulazioni numeriche del flusso turbolento di nanofluidi nei tubi convenzionali e TT sono state eseguite ai numeri di Reynolds 7000 ≤ Re ≤ 17000. Queste simulazioni e i coefficienti di trasferimento di calore convettivo sono stati analizzati utilizzando il modello di turbolenza κ-ω di Mentor del trasferimento dello stress di taglio (SST) mediato sulla turbolenza di Reynolds modello Navier-Stokes, comunemente utilizzato nella ricerca aerodinamica.Inoltre, il modello funziona senza funzione muro ed è preciso vicino alle pareti 35,36.(SST) Le equazioni κ-ω che governano il modello di turbolenza sono le seguenti:
dove \(S\) è il valore della velocità di deformazione e \(y\) è la distanza dalla superficie adiacente.Nel frattempo, \({\alpha}_{1}\), \({\alpha}_{2}\), \({\beta}_{1}\), \({\beta}_{ 2 }\), \({\beta}^{*}\), \({\sigma}_{{k}_{1}}\), \({\sigma}_{{k}_{ 2 }}\), \({\sigma}_{{\omega}_{1}}\) e \({\sigma}_{{\omega}_{2}}\) denotano tutte le costanti del modello.F1 e F2 sono funzioni miste.Nota: F1 = 1 nello strato limite, 0 nel flusso in arrivo.
I parametri di valutazione delle prestazioni vengono utilizzati per studiare il trasferimento di calore convettivo turbolento, il flusso di nanofluidi covalenti e non covalenti, ad esempio31:
In questo contesto, (\(\rho\)), (\(v\)), (\({D}_{h}\)) e (\(\mu\)) sono usati per densità, velocità del fluido , diametro idraulico e viscosità dinamica.(\({C}_{p}\, \mathrm{u}\, k\)) – capacità termica specifica e conduttività termica del fluido fluente.Inoltre, (\(\dot{m}\)) si riferisce al flusso di massa e (\({T}_{out}-{T}_{in}\)) si riferisce alla differenza di temperatura in ingresso e in uscita.(NF) si riferisce a nanofluidi covalenti e non covalenti e (DW) si riferisce all'acqua distillata (fluido base).\({A}_{s} = \pi DL\), \({\overline{T}}_{f}=\frac{\left({T}_{out}-{T}_{in }\right)}{2}\) e \({\overline{T}}_{w}=\sum \frac{{T}_{w}}{n}\).
Le proprietà termofisiche del fluido di base (DW), del nanofluido non covalente (GNF-SDBS@DW) e del nanofluido covalente (GNF-COOH@DW) sono state prese dalla letteratura pubblicata (studi sperimentali), Sn = 308 K, come mostrato nella Tabella 134. In un tipico esperimento per ottenere un nanofluido non covalente (GNP-SDBS@DW) con percentuali di massa note, alcuni grammi di PNL primari sono stati inizialmente pesati su una bilancia digitale.Il rapporto ponderale tra SDBS e PNL nativo è (0,5:1) ponderato in DW.In questo caso, i nanofluidi covalenti (COOH-GNP@DW) sono stati sintetizzati aggiungendo gruppi carbossilici alla superficie del GNP utilizzando un mezzo fortemente acido con un rapporto volumetrico (1:3) di HNO3 e H2SO4.I nanofluidi covalenti e non covalenti sono stati sospesi in DW a tre diverse percentuali in peso, ad esempio 0,025% in peso, 0,05% in peso.e lo 0,1% della massa.
Sono stati condotti test di indipendenza della mesh in quattro diversi domini computazionali per garantire che la dimensione della mesh non influenzi la simulazione.Nel caso del tubo di torsione a 45°, il numero di unità con dimensione unità 1,75 mm è 249.033, il numero di unità con dimensione unità 2 mm è 307.969, il numero di unità con dimensione unità 2,25 mm è 421.406 e il numero di unità con unità di dimensione 2,5 mm 564 940 rispettivamente.Inoltre, nell'esempio di un tubo attorcigliato a 90°, il numero di elementi con dimensione elemento 1,75 mm è 245.531, il numero di elementi con dimensione elemento 2 mm è 311.584, il numero di elementi con dimensione elemento 2,25 mm è 422.708 e il numero di elementi con una dimensione di 2,5 mm è rispettivamente 573.826.La precisione delle letture delle proprietà termiche come (Tout, htc e Nuavg) aumenta al diminuire del numero di elementi.Allo stesso tempo, la precisione dei valori del coefficiente di attrito e della caduta di pressione ha mostrato un comportamento completamente diverso (Fig. 2).La griglia (2) è stata utilizzata come area della griglia principale per valutare le caratteristiche termoidrauliche nel caso simulato.
Testare le prestazioni di trasferimento di calore e caduta di pressione indipendentemente dalla rete utilizzando coppie di tubi DW attorcigliati a 45° e 90°.
I presenti risultati numerici sono stati convalidati per le prestazioni di trasferimento di calore e il coefficiente di attrito utilizzando correlazioni ed equazioni empiriche ben note come Dittus-Belter, Petukhov, Gnelinsky, Notter-Rouse e Blasius.Il confronto è stato effettuato nella condizione 7000≤Re≤17000.Secondo la fig.3, gli errori medi e massimi tra i risultati della simulazione e l'equazione del trasferimento di calore sono 4,050 e 5,490% (Dittus-Belter), 9,736 e 11,33% (Petukhov), 4,007 e 7,483% (Gnelinsky), e 3,883% e 4,937% ( Nott-Belter).Rosa).In questo caso, gli errori medi e massimi tra i risultati della simulazione e l'equazione del coefficiente di attrito sono rispettivamente 7,346% e 8,039% (Blasius) e 8,117% e 9,002% (Petukhov).
Trasferimento di calore e proprietà idrodinamiche del DW a vari numeri di Reynolds utilizzando calcoli numerici e correlazioni empiriche.
Questa sezione discute le proprietà termiche dei nanofluidi acquosi non covalenti (LNP-SDBS) e covalenti (LNP-COOH) in tre diverse frazioni di massa e i numeri di Reynolds come medie relative al fluido di base (DW).Vengono discusse due geometrie di scambiatori di calore a nastro elicoidale (angolo dell'elica 45° e 90°) per 7000 ≤ Re ≤ 17000. Nella fig.4 mostra la temperatura media all'uscita del nanofluido nel fluido base (DW) (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{ DW } } \) ) a (0,025% in peso, 0,05% in peso e 0,1% in peso).(\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) è sempre inferiore a 1, il che significa che la temperatura di uscita I nanofluidi non covalenti (VNP-SDBS) e covalenti (VNP-COOH) sono al di sotto della temperatura all'uscita del liquido di base.Le riduzioni più bassa e più alta sono state rispettivamente dello 0,1% in peso-COOH@GNPs e dello 0,1% in peso-SDBS@GNPs.Questo fenomeno è dovuto ad un aumento del numero di Reynolds a una frazione di massa costante, che porta ad un cambiamento nelle proprietà del nanofluido (cioè densità e viscosità dinamica).
Le Figure 5 e 6 mostrano le caratteristiche medie di trasferimento di calore del nanofluido al fluido base (DW) a (0,025% in peso, 0,05% in peso e 0,1% in peso).Le proprietà medie di trasferimento del calore sono sempre maggiori di 1, il che significa che le proprietà di trasferimento del calore dei nanofluidi non covalenti (LNP-SDBS) e covalenti (LNP-COOH) sono migliorate rispetto al fluido di base.Lo 0,1% in peso di COOH@GNP e lo 0,1% in peso di SDBS@GNP hanno ottenuto rispettivamente il guadagno più basso e quello più alto.Quando il numero di Reynolds aumenta a causa della maggiore miscelazione del fluido e della turbolenza nel tubo 1, le prestazioni di trasferimento del calore migliorano.I fluidi attraverso piccoli spazi raggiungono velocità più elevate, risultando in uno strato limite velocità/calore più sottile, che aumenta la velocità di trasferimento del calore.L'aggiunta di più nanoparticelle al fluido base può avere risultati sia positivi che negativi.Gli effetti benefici includono un aumento delle collisioni delle nanoparticelle, requisiti favorevoli di conducibilità termica del fluido e un migliore trasferimento di calore.
Coefficiente di trasferimento del calore del nanofluido al fluido base in base al numero di Reynolds per tubi a 45° e 90°.
Allo stesso tempo, un effetto negativo è un aumento della viscosità dinamica del nanofluido, che riduce la mobilità del nanofluido, riducendo così il numero medio di Nusselt (Nuavg).L'aumento della conduttività termica dei nanofluidi (ZNP-SDBS@DW) e (ZNP-COOH@DW) dovrebbe essere dovuto al movimento browniano e alla microconvezione delle nanoparticelle di grafene sospese in DW37.La conduttività termica del nanofluido (ZNP-COOH@DV) è superiore a quella del nanofluido (ZNP-SDBS@DV) e dell'acqua distillata.L'aggiunta di più nanomateriali al fluido di base aumenta la loro conduttività termica (Tabella 1)38.
La Figura 7 illustra il coefficiente medio di attrito dei nanofluidi con fluido base (DW) (f(NFs)/f(DW)) in percentuale in massa (0,025%, 0,05% e 0,1%).Il coefficiente di attrito medio è sempre ≈1, il che significa che i nanofluidi non covalenti (GNF-SDBS@DW) e covalenti (GNF-COOH@DW) hanno lo stesso coefficiente di attrito del fluido di base.Uno scambiatore di calore con meno spazio crea una maggiore ostruzione del flusso e aumenta l'attrito del flusso1.Fondamentalmente, il coefficiente di attrito aumenta leggermente con l'aumentare della frazione di massa del nanofluido.Le maggiori perdite per attrito sono causate dall'aumento della viscosità dinamica del nanofluido e dall'aumento dello stress di taglio sulla superficie con una maggiore percentuale di massa di nanografene nel fluido di base.La tabella (1) mostra che la viscosità dinamica del nanofluido (ZNP-SDBS@DV) è superiore a quella del nanofluido (ZNP-COOH@DV) alla stessa percentuale in peso, che è associata all'aggiunta di effetti superficiali.agenti attivi su un nanofluido non covalente.
Nella fig.8 mostra il nanofluido rispetto al fluido base (DW) (\(\frac{{\Delta P}_{NFs}}{{\Delta P}_{DW}}\)) a (0,025%, 0,05% e 0,1% ).Il nanofluido non covalente (GNPs-SDBS@DW) ha mostrato una perdita di pressione media più elevata e con un aumento della percentuale di massa al 2,04% per lo 0,025% in peso, al 2,46% per lo 0,05% in peso.e 3,44% per lo 0,1% in peso.con ingrandimento della cassa (angolo dell'elica 45° e 90°).Nel frattempo, il nanofluido (GNPs-COOH@DW) ha mostrato una perdita di pressione media inferiore, aumentando dall'1,31% allo 0,025% in peso.fino all'1,65% allo 0,05% in pesoLa perdita di pressione media dello 0,05% in peso-COOH@NP e dello 0,1% in peso-COOH@NP è 1,65%.Come si può vedere, la caduta di pressione aumenta in tutti i casi all’aumentare del numero Re.Una maggiore caduta di pressione con valori Re elevati è indicata da una dipendenza diretta dalla portata volumetrica.Pertanto, un numero Re più alto nel tubo porta ad una caduta di pressione maggiore, che richiede un aumento della potenza della pompa39,40.Inoltre, le perdite di pressione sono maggiori a causa della maggiore intensità di vortici e turbolenze generate dalla maggiore superficie, che aumenta l’interazione delle forze di pressione e di inerzia nello strato limite1.
In generale, i criteri di valutazione delle prestazioni (PEC) per nanofluidi non covalenti (VNP-SDBS@DW) e covalenti (VNP-COOH@DW) sono mostrati nelle Figg.9. Il nanofluido (ZNP-SDBS@DV) ha mostrato valori PEC più elevati rispetto a (ZNP-COOH@DV) in entrambi i casi (angolo dell'elica 45° e 90°) ed è stato migliorato aumentando la frazione di massa, ad esempio 0,025 peso%.%.è 1,17, lo 0,05% in peso è 1,19 e lo 0,1% in peso è 1,26.Nel frattempo, i valori PEC utilizzando i nanofluidi (GNPs-COOH@DW) erano 1,02 per lo 0,025% in peso, 1,05 per lo 0,05% in peso, 1,05 per lo 0,1% in peso.in entrambi i casi (angolo dell'elica 45° e 90°).1.02.Di norma, con l'aumento del numero di Reynolds, l'efficienza termoidraulica diminuisce notevolmente.All’aumentare del numero di Reynolds, la diminuzione del coefficiente di efficienza termoidraulica è sistematicamente associata ad un aumento di (NuNFs/NuDW) e ad una diminuzione di (fNFs/fDW).
Proprietà idrotermali dei nanofluidi rispetto ai fluidi base dipendenti dai numeri di Reynolds per tubi con angoli di 45° e 90°.
Questa sezione discute le proprietà termiche dei nanofluidi acqua (DW), non covalenti (VNP-SDBS@DW) e covalenti (VNP-COOH@DW) a tre diverse concentrazioni di massa e numeri di Reynolds.Sono state considerate due geometrie di scambiatori di calore a nastro elicoidale nell'intervallo 7000 ≤ Re ≤ 17000 rispetto ai tubi convenzionali (angoli dell'elica 45° e 90°) per valutare le prestazioni termoidrauliche medie.Nella fig.10 mostra la temperatura dell'acqua e dei nanofluidi all'uscita come media utilizzando (angolo d'elica 45° e 90°) per un tubo comune (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{ {T} _{out}}_{Normale}}\)).I nanofluidi non covalenti (GNP-SDBS@DW) e covalenti (GNP-COOH@DW) hanno tre diverse frazioni di peso come 0,025% in peso, 0,05% in peso e 0,1% in peso.Come mostrato in fig.11, il valore medio della temperatura di uscita (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{{T}_{out}}_{Plain}}\)) > 1, indicando che (angolo d'elica 45° e 90°) la temperatura all'uscita dello scambiatore di calore è più significativa di quella di un tubo convenzionale, per la maggiore intensità di turbolenza e una migliore miscelazione del liquido.Inoltre, la temperatura all'uscita dei nanofluidi DW, non covalenti e covalenti diminuiva con l'aumentare del numero di Reynolds.Il fluido base (DW) ha la temperatura media in uscita più alta.Nel frattempo, il valore più basso si riferisce allo 0,1% in peso di SDBS@GNP.I nanofluidi non covalenti (GNPs-SDBS@DW) hanno mostrato una temperatura di uscita media inferiore rispetto ai nanofluidi covalenti (GNPs-COOH@DW).Poiché il nastro attorcigliato rende il campo di flusso più misto, il flusso di calore vicino alla parete può passare più facilmente attraverso il liquido, aumentando la temperatura complessiva.Un rapporto torsione-nastro inferiore si traduce in una migliore penetrazione e quindi in un migliore trasferimento di calore.D'altra parte, si può vedere che il nastro arrotolato mantiene una temperatura più bassa contro il muro, il che a sua volta aumenta il Nuavg.Per gli inserti in nastro ritorto, un valore Nuavg più elevato indica un migliore trasferimento di calore convettivo all'interno del tubo22.A causa dell'aumento del percorso del flusso e dell'ulteriore miscelazione e turbolenza, il tempo di permanenza aumenta, con conseguente aumento della temperatura del liquido all'uscita41.
Numeri di Reynolds di vari nanofluidi relativi alla temperatura di uscita dei tubi convenzionali (angoli dell'elica di 45° e 90°).
Coefficienti di trasferimento del calore (angolo dell'elica di 45° e 90°) rispetto ai numeri di Reynolds per vari nanofluidi rispetto ai tubi convenzionali.
Il meccanismo principale per migliorare il trasferimento di calore del nastro a spirale è il seguente: 1. La riduzione del diametro idraulico del tubo di scambio termico porta ad un aumento della velocità del flusso e della curvatura, che a sua volta aumenta lo stress di taglio sulla parete e promuove il movimento secondario.2. A causa del bloccaggio del nastro di avvolgimento, la velocità sulla parete del tubo aumenta e lo spessore dello strato limite diminuisce.3. Il flusso a spirale dietro la cinghia attorcigliata porta ad un aumento della velocità.4. I vortici indotti migliorano la miscelazione dei fluidi tra le regioni centrali e vicine alla parete del flusso42.Nella fig.11 e fig.12 mostra le proprietà di trasferimento di calore di DW e nanofluidi, ad esempio (coefficiente di trasferimento di calore e numero di Nusselt medio) come medie utilizzando tubi di inserimento del nastro ritorto rispetto ai tubi convenzionali.I nanofluidi non covalenti (GNP-SDBS@DW) e covalenti (GNP-COOH@DW) hanno tre diverse frazioni di peso come 0,025% in peso, 0,05% in peso e 0,1% in peso.In entrambi gli scambiatori di calore (angolo dell'elica di 45° e 90°) la prestazione media di trasferimento di calore è >1, indicando un miglioramento del coefficiente di trasferimento di calore e del numero di Nusselt medio con tubi a spirale rispetto ai tubi convenzionali.I nanofluidi non covalenti (GNPs-SDBS@DW) hanno mostrato un miglioramento medio del trasferimento di calore più elevato rispetto ai nanofluidi covalenti (GNPs-COOH@DW).A Re = 900, il miglioramento dello 0,1% in peso nelle prestazioni di trasferimento di calore -SDBS@GNP per i due scambiatori di calore (angolo di elica di 45° e 90°) è stato il più alto con un valore di 1,90.Ciò significa che l’effetto TP uniforme è più importante a velocità del fluido più basse (numero di Reynolds)43 e all’aumentare dell’intensità della turbolenza.A causa dell'introduzione di vortici multipli, il coefficiente di trasferimento del calore e il numero medio di Nusselt dei tubi TT sono più elevati rispetto ai tubi convenzionali, risultando in uno strato limite più sottile.La presenza di HP aumenta l'intensità della turbolenza, la miscelazione dei flussi del fluido di lavoro e un migliore trasferimento di calore rispetto ai tubi base (senza inserire un nastro ritorto)21.
Numero di Nusselt medio (angolo dell'elica 45° e 90°) rispetto al numero di Reynolds per vari nanofluidi rispetto ai tubi convenzionali.
Le Figure 13 e 14 mostrano il coefficiente medio di attrito (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain}}\)) e la perdita di pressione (\(\frac{{\Delta P} _ {Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\}} circa 45° e 90° per tubi convenzionali che utilizzano nanofluidi DW, lo scambiatore ionico (GNPs-SDBS@DW) e (GNPs-COOH@DW) contiene ( 0,025 in peso %, 0,05 in peso % e 0,1 in peso %) { {f}_{Plain} }\)) e perdita di pressione (\(\frac{{ \Delta P}_{Twisted}}{{\Delta P }_{Plain}}\}) diminuiscono. In alcuni casi, il coefficiente di attrito e la perdita di pressione sono più alti con numeri di Reynolds più bassi Il coefficiente di attrito medio e la perdita di pressione sono compresi tra 3,78 e 3,12 Il coefficiente di attrito medio e la perdita di pressione mostrano che (elica a 45° angolo e 90°) lo scambiatore di calore ha un costo tre volte superiore rispetto ai tubi tradizionali. Inoltre, quando il fluido di lavoro scorre a una velocità maggiore, il coefficiente di attrito diminuisce. Il problema sorge perché all'aumentare del numero di Reynolds, lo spessore dello strato limite diminuisce, il che porta ad una diminuzione dell'effetto della viscosità dinamica sull'area interessata, una diminuzione dei gradienti di velocità e delle sollecitazioni di taglio e, di conseguenza, una diminuzione del coefficiente di attrito21.Il miglioramento dell'effetto di bloccaggio dovuto alla presenza di TT e la maggiore turbolenza comportano perdite di pressione significativamente più elevate per i tubi TT eterogenei rispetto ai tubi base.Inoltre, sia per il tubo base che per il tubo TT, si può notare che la caduta di pressione aumenta con la velocità del fluido di lavoro43.
Coefficiente di attrito (angolo dell'elica di 45° e 90°) rispetto al numero di Reynolds per vari nanofluidi rispetto ai tubi convenzionali.
Perdita di pressione (angolo dell'elica di 45° e 90°) in funzione del numero di Reynolds per vari nanofluidi rispetto a un tubo convenzionale.
In sintesi, la Figura 15 mostra i criteri di valutazione delle prestazioni (PEC) per scambiatori di calore con angoli di 45° e 90° rispetto ai tubi lisci (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}} \ ) ) in (0,025 in peso, 0,05 in peso% e 0,1 in peso%) utilizzando nanofluidi DV, (VNP-SDBS@DV) e covalenti (VNP-COOH@DV).Il valore (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) > 1 in entrambi i casi (angolo dell'elica di 45° e 90°) nello scambiatore di calore.Inoltre, (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) raggiunge il suo miglior valore a Re = 11.000.Lo scambiatore di calore da 90° mostra un leggero aumento di (\ (\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) rispetto ad uno scambiatore di calore da 45°., A Re = 11.000 0,1 wt%-GNPs@SDBS rappresenta valori più elevati (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)), ad esempio 1,25 per un angolo dello scambiatore di calore a 45° e 1,27 per scambiatore ad angolo di 90°.È maggiore di una percentuale della frazione di massa, il che indica che i tubi con inserti in nastro ritorto sono superiori ai tubi convenzionali.In particolare, il miglioramento del trasferimento di calore fornito dagli inserti del nastro ha comportato un aumento significativo delle perdite per attrito22.
Criteri di efficienza per il numero di Reynolds di vari nanofluidi rispetto ai tubi convenzionali (angolo dell'elica di 45° e 90°).
L'Appendice A mostra le linee guida per gli scambiatori di calore a 45° e 90° a Re = 7000 utilizzando DW, 0,1% in peso-GNP-SDBS@DW e 0,1% in peso-GNP-COOH@DW.Le linee aerodinamiche nel piano trasversale sono la caratteristica più evidente dell'effetto degli inserti di nastri ritorti sul flusso principale.L'uso di scambiatori di calore a 45° e 90° mostra che la velocità nella regione vicino alla parete è approssimativamente la stessa.Nel frattempo, l'Appendice B mostra i contorni della velocità per gli scambiatori di calore a 45° e 90° a Re = 7000 utilizzando DW, 0,1% in peso-GNP-SDBS@DW e 0,1% in peso-GNP-COOH@DW.Gli anelli di velocità si trovano in tre diverse posizioni (fette), ad esempio Plain-1 (P1 = −30 mm), Plain-4 (P4 = 60 mm) e Plain-7 (P7 = 150 mm).La velocità del flusso vicino alla parete del tubo è minima e la velocità del fluido aumenta verso il centro del tubo.Inoltre, quando si passa attraverso il condotto dell'aria, aumenta l'area delle basse velocità vicino al muro.Ciò è dovuto alla crescita dello strato limite idrodinamico, che aumenta lo spessore della regione a bassa velocità vicino alla parete.Inoltre, aumentando il numero di Reynolds aumenta il livello di velocità complessivo in tutte le sezioni trasversali, riducendo così lo spessore della regione a bassa velocità nel canale39.
Nanofogli di grafene funzionalizzati in modo covalente e non covalente sono stati valutati in inserti di nastro ritorto con angoli dell'elica di 45° e 90°.Lo scambiatore di calore viene risolto numericamente utilizzando il modello di turbolenza k-omega SST a 7000 ≤ Re ≤ 17000. Le proprietà termofisiche sono calcolate a Tin = 308 K. Riscaldare contemporaneamente la parete del tubo ritorto a una temperatura costante di 330 K. COOH@DV) è stato diluito in tre quantità in massa, ad esempio (0,025% in peso, 0,05% in peso e 0,1% in peso).Lo studio attuale ha considerato sei fattori principali: temperatura di uscita, coefficiente di trasferimento di calore, numero di Nusselt medio, coefficiente di attrito, perdita di pressione e criteri di valutazione delle prestazioni.Ecco i principali risultati:
La temperatura media in uscita (\({{T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) è sempre inferiore a 1, il che significa che non diffuso La temperatura di uscita dei nanofluidi di valenza (ZNP-SDBS@DV) e covalenti (ZNP-COOH@DV) è inferiore a quella del liquido di base.Nel frattempo, il valore medio della temperatura di uscita (\({{T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\)) > 1, indicando al fatto che (angolo d'elica di 45° e 90°) la temperatura di uscita è più elevata rispetto ai tubi convenzionali.
In entrambi i casi, i valori medi delle proprietà di trasferimento del calore (nanofluido/fluido base) e (tubo ritorto/tubo normale) mostrano sempre >1.I nanofluidi non covalenti (GNPs-SDBS@DW) hanno mostrato un aumento medio più elevato nel trasferimento di calore, corrispondente ai nanofluidi covalenti (GNPs-COOH@DW).
Il coefficiente di attrito medio (\({f}_{Nanofluids}/{f}_{Basefluid}\)) dei nanofluidi non covalenti (VNP-SDBS@DW) e covalenti (VNP-COOH@DW) è sempre ≈1 .attrito di nanofluidi non covalenti (ZNP-SDBS@DV) e covalenti (ZNP-COOH@DV) (\({f}_{Twisted}/{f}_{Plain}\)) per sempre > 3.
In entrambi i casi (angolo dell'elica di 45° e 90°), i nanofluidi (GNPs-SDBS@DW) hanno mostrato valori più elevati (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) 0,025 % in peso per il 2,04%, 0,05 % in peso per il 2,46% e 0,1 % in peso per il 3,44%.Nel frattempo, i nanofluidi (GNPs-COOH@DW) hanno mostrato valori inferiori (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) da 1,31% per 0,025% in peso a 1,65% è 0,05 % a peso.Inoltre, la perdita di pressione media (\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\) dei componenti non covalenti (GNPs-SDBS@DW) e covalenti (GNPs-COOH@DW ))) nanofluidi sempre >3.
In entrambi i casi (angoli dell'elica di 45° e 90°), i nanofluidi (GNPs-SDBS@DW) hanno mostrato un valore più elevato (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC} _{Basefluid}\)) @DW) , ad esempio 0,025% in peso – 1,17, 0,05% in peso – 1,19, 0,1% in peso – 1,26.In questo caso, i valori di (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\)) utilizzando i nanofluidi (GNPs-COOH@DW) sono 1,02 per 0,025 wt.%, 1,05 per 0 , 05% e 1,02 è 0,1% in peso.Inoltre, a Re = 11.000, 0,1 wt%-GNPs@SDBS ha mostrato valori più elevati (\({PEC}_{Twisted}/{PEC}_{Plain}\)), come 1,25 per un angolo dell'elica di 45° e angolo dell'elica di 90° 1,27.
Thianpong, C. et al.Ottimizzazione multiuso del flusso nanofluido di biossido di titanio/acqua nello scambiatore di calore, potenziato da inserti in nastro ritorto con ali a delta.interno J. Caldo.la scienza.172, 107318 (2022).
Langerudi, HG e Jawaerde, C. Studio sperimentale del flusso di fluidi non newtoniani in soffietti inseriti con nastri ritorti tipici e a forma di V.Trasferimento di calore e massa 55, 937–951 (2019).
Dong, X. et al.Studio sperimentale delle caratteristiche di trasferimento del calore e della resistenza al flusso di uno scambiatore di calore tubolare attorcigliato a spirale [J].Temperatura di applicazione.progetto.176, 115397 (2020).
Yongsiri, K., Eiamsa-Ard, P., Wongcharee, K. & Eiamsa-Ard, SJCS Miglioramento del trasferimento di calore nel flusso turbolento del canale con alette di separazione oblique.ricerca d'attualità.temperatura.progetto.3, 1–10 (2014).
Orario di pubblicazione: 17 marzo 2023