Hvala, ker ste obiskali Nature.com.Uporabljate različico brskalnika z omejeno podporo za CSS.Za najboljšo izkušnjo priporočamo, da uporabite posodobljen brskalnik (ali onemogočite način združljivosti v Internet Explorerju).Poleg tega, da zagotovimo stalno podporo, spletno mesto prikažemo brez slogov in JavaScripta.
Drsniki, ki prikazujejo tri članke na diapozitiv.Uporabite gumba za nazaj in naprej, da se premikate po diapozitivih, ali pa gumbe za krmiljenje diapozitivov na koncu, da se premikate po vsakem diapozitivu.
304 Zvita cev iz nerjavečega jekla 10*1 mm na Kitajskem
Velikost: 3/4 palca, 1/2 palca, 1 palca, 3 palca, 2 palca
Dolžina cevi enote: 6 metrov
Razred jekla: 201, 304 IN 316
Razred: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,
Material: NERJAVEČE JEKLO
Stanje: Novo
Tuljava cevi iz nerjavečega jekla
Velikost: 3/4 palca, 1/2 palca, 1 palca, 3 palca, 2 palca
Dolžina cevi enote: 6 metrov
Razred jekla: 201, 304 IN 316
Razred: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,
Material: NERJAVEČE JEKLO
Stanje: Novo
Kovalentne in nekovalentne nanotekočine so testirali v okroglih ceveh, opremljenih z vložki iz zvitega traku s kotoma vijačnice 45° in 90°.Reynoldsovo število je bilo 7000 ≤ Re ≤ 17000, termofizikalne lastnosti so bile ovrednotene pri 308 K. Fizični model je rešen numerično z uporabo dvoparametrskega modela turbulentne viskoznosti (SST k-omega turbulence).V delu so bile upoštevane koncentracije (0,025 mas. %, 0,05 mas. % in 0,1 mas. %) nanotekočin ZNP-SDBS@DV in ZNP-COOH@DV.Stene zvitih cevi se segrevajo pri konstantni temperaturi 330 K. V trenutni študiji je bilo upoštevanih šest parametrov: izhodna temperatura, koeficient toplotnega prehoda, povprečno Nusseltovo število, koeficient trenja, izguba tlaka in merila za oceno delovanja.V obeh primerih (kot vijačnice 45° in 90°) je nanofluid ZNP-SDBS@DV pokazal višje termohidravlične lastnosti kot ZNP-COOH@DV in se je povečal z naraščanjem masnega deleža, na primer 0,025 mas.in 0,05 mas.je 1,19.% in 1,26 – 0,1 mas. %.V obeh primerih (kot vijačnice 45° in 90°) so vrednosti termodinamičnih karakteristik pri uporabi GNP-COOH@DW 1,02 za 0,025% mas., 1,05 za 0,05% mas.in 1,02 za 0,1 % mas.
Toplotni izmenjevalnik je termodinamična naprava 1, ki se uporablja za prenos toplote med hlajenjem in ogrevanjem.Termohidravlične lastnosti izmenjevalnika toplote izboljšajo koeficient toplotne prehodnosti in zmanjšajo upor delovne tekočine.Razvitih je bilo več metod za izboljšanje prenosa toplote, vključno s pospeševalci turbulence2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 in nanotekočinami12,13,14,15.Vstavljanje zvitega traku je ena najuspešnejših metod za izboljšanje prenosa toplote v toplotnih izmenjevalnikih zaradi enostavnega vzdrževanja in nizkih stroškov7,16.
V nizu eksperimentalnih in računalniških raziskav so preučevali hidrotermalne lastnosti zmesi nanotekočin in toplotnih izmenjevalnikov z vložki iz sukanega traku.V eksperimentalnem delu so proučevali hidrotermalne lastnosti treh različnih kovinskih nanotekočin (Ag@DW, Fe@DW in Cu@DW) v toplotnem izmenjevalniku z iglo zvitim trakom (STT)17.V primerjavi z osnovno cevjo je koeficient prenosa toplote STT izboljšan za 11% in 67%.Postavitev SST je z ekonomskega vidika najboljša glede učinkovitosti s parametrom α = β = 0,33.Poleg tega so pri Ag@DW opazili 18,2-odstotno povečanje n, čeprav je bilo največje povečanje izgube tlaka le 8,5-odstotno.Fizikalne procese prenosa toplote in izgube tlaka v koncentričnih ceveh z in brez navitih turbulatorjev smo proučevali z uporabo turbulentnih tokov nanotekočine Al2O3@DW s prisilno konvekcijo.Največje povprečno Nusseltovo število (Nuavg) in izgubo tlaka opazimo pri Re = 20.000, ko je korak tuljave = 25 mm in nanotekočina Al2O3@DW 1,6 vol.%.Izvedene so bile tudi laboratorijske študije za preučevanje značilnosti prenosa toplote in izgube tlaka nanotekočin grafen oksida (GO@DW), ki tečejo skozi skoraj okrogle cevi z WC vložki.Rezultati so pokazali, da je 0,12 vol%-GO@DW povečal koeficient konvekcijskega prenosa toplote za približno 77%.V drugi eksperimentalni študiji so bili nanofluidi (TiO2@DW) razviti za preučevanje toplotno-hidravličnih značilnosti cevi z vdolbinami, opremljenih z vložki iz zvitega traku20.Največja hidrotermalna učinkovitost 1,258 je bila dosežena z uporabo 0,15 vol%-TiO2@DW, vdelanega v 45° nagnjene gredi s faktorjem zasuka 3,0.Enofazni in dvofazni (hibridni) simulacijski modeli upoštevajo tok in prenos toplote nanotekočin CuO@DW pri različnih koncentracijah trdnih snovi (1–4 % vol. %)21.Največji toplotni izkoristek cevi, vstavljene z enim zvitim trakom, je 2,18, cev, vstavljena z dvema zvitima trakoma pri enakih pogojih pa 2,04 (dvofazni model, Re = 36.000 in 4 vol.%).Proučevali so nenewtonski turbulentni nanofluidni tok karboksimetil celuloze (CMC) in bakrovega oksida (CuO) v glavnih ceveh in ceveh z zavitimi vložki.Nuavg kaže izboljšanje za 16,1 % (za glavni cevovod) in 60 % (za zvit cevovod z razmerjem (H/D = 5)).Na splošno nižje razmerje med zasukom in trakom povzroči višji koeficient trenja.V eksperimentalni študiji smo z uporabo nanotekočin CuO@DW preučevali vpliv cevi s sukanim trakom (TT) in tuljav (VC) na lastnosti prenosa toplote in koeficient trenja.Z uporabo 0,3 vol.%-CuO@DW pri Re = 20.000 omogoča povečanje prenosa toplote v cevi VK-2 na maksimalno vrednost 44,45 %.Poleg tega se pri uporabi kabla s sukanim parom in tuljavnega vložka pod enakimi robnimi pogoji koeficient trenja poveča za faktorje 1,17 in 1,19 v primerjavi z DW.Na splošno je toplotna učinkovitost nanotekočin, vstavljenih v tuljave, boljša kot pri nanotekočinah, vstavljenih v vpletene žice.Volumetrično karakteristiko turbulentnega (MWCNT@DW) nanofluidnega toka smo proučevali znotraj vodoravne cevi, vstavljene v spiralno žico.Parametri toplotne učinkovitosti so bili > 1 za vse primere, kar kaže, da kombinacija nanofluidikov z vložkom tuljave izboljša prenos toplote brez porabe moči črpalke.Povzetek—Raziskane so bile hidrotermalne lastnosti dvocevnega toplotnega izmenjevalnika z različnimi vložki iz modificiranega zvito-sukanega traku v obliki črke V (VcTT) v pogojih turbulentnega toka nanotekočine Al2O3 + TiO2@DW.V primerjavi z DW v osnovnih ceveh ima Nuavg znatno izboljšanje za 132 % in koeficient trenja do 55 %.Poleg tega je bila obravnavana energetska učinkovitost nanokompozita Al2O3+TiO2@DW v dvocevnem izmenjevalniku toplote26.V svoji študiji so ugotovili, da je uporaba Al2O3 + TiO2@DW in TT izboljšala eksergijsko učinkovitost v primerjavi z DW.V koncentričnih cevnih izmenjevalnikih toplote s turbulatorji VcTT sta Singh in Sarkar27 uporabila materiale s fazno spremembo (PCM), razpršene enojne/nanokompozitne nanotekočine (Al2O3@DW s PCM in Al2O3 + PCM).Poročali so, da se prenos toplote in izguba tlaka povečata, ko se koeficient zasuka zmanjša in koncentracija nanodelcev poveča.Večji faktor globine V-zareze ali manjši faktor širine lahko zagotovita večji prenos toplote in izgubo tlaka.Poleg tega je bil grafen-platina (Gr-Pt) uporabljen za raziskovanje toplote, trenja in skupne stopnje nastajanja entropije v ceveh z vložki 2-TT28.Njihova študija je pokazala, da je manjši odstotek (Gr-Pt) znatno zmanjšal proizvodnjo toplotne entropije v primerjavi z relativno višjim razvojem torne entropije.Mešane nanotekočine Al2O3@MgO in stožčasti WC lahko štejemo za dobro mešanico, saj lahko povečano razmerje (h/Δp) izboljša hidrotermalno zmogljivost dvocevnega izmenjevalnika toplote 29.Numerični model se uporablja za oceno varčevanja z energijo in okoljske učinkovitosti izmenjevalnikov toplote z različnimi tridelnimi hibridnimi nanotekočinami (THNF) (Al2O3 + grafen + MWCNT), suspendiranimi v DW30.Zaradi meril za ocenjevanje učinkovitosti (PEC) v območju 1,42–2,35 je potrebna kombinacija vložka turbulizatorja z depresijo (DTTI) in (Al2O3 + grafen + MWCNT).
Do sedaj je bilo malo pozornosti posvečeno vlogi kovalentne in nekovalentne funkcionalizacije v hidrodinamičnem toku v termalnih tekočinah.Poseben namen te študije je bila primerjava toplotno-hidravličnih značilnosti nanotekočin (ZNP-SDBS@DV) in (ZNP-COOH@DV) v vložkih z zvitimi trakovi s kotoma vijačnice 45° in 90°.Termofizične lastnosti so bile izmerjene pri Tin = 308 K. V tem primeru smo v postopku primerjave upoštevali tri masne deleže, kot so (0,025 mas. %, 0,05 mas. % in 0,1 mas. %).Za reševanje termohidravličnih karakteristik se uporablja prenos strižne napetosti v 3D modelu turbulentnega toka (SST k-ω).Tako ta študija pomembno prispeva k preučevanju pozitivnih lastnosti (prenos toplote) in negativnih lastnosti (padec tlaka na trenje), prikazuje termohidravlične karakteristike in optimizacijo realnih delovnih tekočin v tovrstnih inženirskih sistemih.
Osnovna konfiguracija je gladka cev (L = 900 mm in Dh = 20 mm).Dimenzije vstavljenega sukanega traku (dolžina = 20 mm, debelina = 0,5 mm, profil = 30 mm).V tem primeru so bile dolžina, širina in hod spiralnega profila 20 mm, 0,5 mm oziroma 30 mm.Sukani trakovi so nagnjeni pod kotoma 45° in 90°.Različne delovne tekočine, kot so DW, nekovalentni nanofluidi (GNF-SDBS@DW) in kovalentni nanofluidi (GNF-COOH@DW) pri Tin = 308 K, treh različnih masnih koncentracijah in različnih Reynoldsovih številih.Preizkusi so bili izvedeni znotraj izmenjevalnika toplote.Zunanjo steno spiralne cevi smo segrevali pri konstantni površinski temperaturi 330 K, da bi testirali parametre za izboljšanje prenosa toplote.
Na sl.1 shematično prikazuje cev za vstavljanje zvitega traku z veljavnimi robnimi pogoji in mrežnim območjem.Kot smo že omenili, mejni pogoji hitrosti in tlaka veljajo za vstopni in izstopni del vijačnice.Pri konstantni površinski temperaturi je na steni cevi zagotovljeno nedrseče stanje.Trenutna numerična simulacija uporablja rešitev, ki temelji na tlaku.Hkrati se uporablja program (ANSYS FLUENT 2020R1) za pretvorbo parcialne diferencialne enačbe (PDE) v sistem algebraičnih enačb z metodo končnega volumna (FMM).Metoda SIMPLE drugega reda (pol-implicitna metoda za zaporedne enačbe, odvisne od tlaka) je povezana s hitrostjo in tlakom.Poudariti je treba, da je konvergenca ostankov za enačbe mase, gibalne količine in energije manjša od 103 oziroma 106.
p Diagram fizičnih in računalniških domen: (a) kot vijačnice 90°, (b) kot vijačnice 45°, (c) brez spiralne lopatice.
Za razlago lastnosti nanotekočin se uporablja homogeni model.Z vgradnjo nanomaterialov v osnovno tekočino (DW) nastane neprekinjena tekočina z odličnimi toplotnimi lastnostmi.V tem pogledu imata temperatura in hitrost osnovne tekočine in nanomateriala enako vrednost.Zaradi zgornjih teorij in predpostavk v tej študiji deluje učinkovit enofazni tok.Več študij je pokazalo učinkovitost in uporabnost enofaznih tehnik za nanofluidni tok31,32.
Tok nanotekočin mora biti newtonsko turbulenten, nestisljiv in stacionaren.Kompresijsko delo in viskozno segrevanje v tej študiji nista pomembna.Poleg tega se ne upošteva debelina notranjih in zunanjih sten cevi.Zato lahko enačbe ohranjanja mase, gibalne količine in energije, ki definirajo toplotni model, izrazimo na naslednji način:
kjer je \(\overright{V}\) vektor srednje hitrosti, Keff = K + Kt je efektivna toplotna prevodnost kovalentnih in nekovalentnih nanotekočin, ε pa je stopnja disipacije energije.Učinkovite termofizične lastnosti nanofluidov, vključno z gostoto (ρ), viskoznostjo (μ), specifično toplotno kapaciteto (Cp) in toplotno prevodnostjo (k), prikazane v tabeli, so bile izmerjene med eksperimentalno študijo pri temperaturi 308 K1, ko je bila uporabljena v teh simulatorjih.
Numerične simulacije turbulentnega toka nanofluidov v običajnih in TT ceveh so bile izvedene pri Reynoldsovih številih 7000 ≤ Re ≤ 17000. Te simulacije in koeficienti konvektivnega prenosa toplote so bili analizirani z uporabo Mentorjevega κ-ω turbulentnega modela prenosa strižne napetosti (SST), povprečenega glede na Reynoldsovo turbulenco model Navier-Stokes, ki se običajno uporablja v aerodinamičnih raziskavah.Poleg tega model deluje brez stenske funkcije in je natančen blizu sten 35,36.(SST) κ-ω, ki urejajo enačbe modela turbulence, so naslednje:
kjer je \(S\) vrednost hitrosti deformacije in \(y\) razdalja do sosednje površine.Medtem \({\alpha}_{1}\), \({\alpha}_{2}\), \({\beta}_{1}\), \({\beta}_{ 2 }\), \({\beta}^{*}\), \({\sigma}_{{k}_{1}}\), \({\sigma}_{{k}_{ 2 }}\), \({\sigma}_{{\omega}_{1}}\) in \({\sigma}_{{\omega}_{2}}\) označujejo vse konstante modela.F1 in F2 sta mešani funkciji.Opomba: F1 = 1 v mejni plasti, 0 v prihajajočem toku.
Parametri ocenjevanja učinkovitosti se uporabljajo za preučevanje turbulentnega konvektivnega prenosa toplote, kovalentnega in nekovalentnega toka nanofluidov, na primer31:
V tem kontekstu se (\(\rho\)), (\(v\)), (\({D}_{h}\)) in (\(\mu\)) uporabljajo za gostoto, hitrost tekočine , hidravlični premer in dinamična viskoznost.(\({C}_{p}\, \mathrm{u}\, k\)) – specifična toplotna kapaciteta in toplotna prevodnost tekoče tekočine.Tudi (\(\dot{m}\)) se nanaša na masni pretok in (\({T}_{out}-{T}_{in}\)) se nanaša na vstopno in izstopno temperaturno razliko.(NFs) se nanaša na kovalentne, nekovalentne nanotekočine, (DW) pa na destilirano vodo (bazna tekočina).\({A}_{s} = \pi DL\), \({\overline{T}}_{f}=\frac{\left({T}_{out}-{T}_{in }\right)}{2}\) in \({\overline{T}}_{w}=\sum \frac{{T}_{w}}{n}\).
Termofizične lastnosti osnovne tekočine (DW), nekovalentne nanotekočine (GNF-SDBS@DW) in kovalentne nanotekočine (GNF-COOH@DW) so bile vzete iz objavljene literature (eksperimentalne študije), Sn = 308 K, kot prikazano v tabeli 134. V tipičnem poskusu pridobivanja nekovalentne (GNP-SDBS@DW) nanotekočine z znanimi masnimi odstotki so bili določeni grami primarnih BNP najprej stehtani na digitalni tehtnici.Utežno razmerje med SDBS/domačim BNP je (0,5:1) ponderirano v DW.V tem primeru so bile kovalentne (COOH-GNP@DW) nanotekočine sintetizirane z dodajanjem karboksilnih skupin na površino GNP z uporabo močno kislega medija z volumskim razmerjem (1:3) HNO3 in H2SO4.Kovalentne in nekovalentne nanotekočine so bile suspendirane v DW pri treh različnih masnih odstotkih, kot je 0,025 mas. %, 0,05 mas. %.in 0,1 % mas.
Preizkusi neodvisnosti mreže so bili izvedeni v štirih različnih računalniških domenah, da se zagotovi, da velikost mreže ne vpliva na simulacijo.V primeru 45° torzijske cevi je število enot z velikostjo enote 1,75 mm 249.033, število enot z velikostjo enote 2 mm je 307.969, število enot z velikostjo enote 2,25 mm je 421.406 in število enot z velikostjo enote 2,5 mm 564 940 oz.Poleg tega je v primeru 90° zvite cevi število elementov z velikostjo elementa 1,75 mm 245.531, število elementov z velikostjo elementa 2 mm je 311.584, število elementov z velikostjo elementa 2,25 mm je 422.708, število elementov z velikostjo elementa 2,5 mm pa 573.826.Natančnost odčitkov toplotnih lastnosti, kot so (Tout, htc in Nuavg), se povečuje, ko se število elementov zmanjšuje.Hkrati je natančnost vrednosti koeficienta trenja in padca tlaka pokazala popolnoma drugačno obnašanje (slika 2).Mreža (2) je bila uporabljena kot glavno mrežno območje za ovrednotenje termohidravličnih karakteristik v simuliranem primeru.
Preskušanje učinkovitosti prenosa toplote in padca tlaka neodvisno od mreže z uporabo parov DW cevi, zvitih za 45° in 90°.
Sedanji numerični rezultati so bili potrjeni za zmogljivost prenosa toplote in koeficient trenja z uporabo dobro znanih empiričnih korelacij in enačb, kot so Dittus-Belter, Petukhov, Gnelinsky, Notter-Rouse in Blasius.Primerjava je bila izvedena pod pogojem 7000≤Re≤17000.Glede na sl.3 sta povprečna in največja napaka med rezultati simulacije in enačbo prenosa toplote 4,050 in 5,490 % (Dittus-Belter), 9,736 in 11,33 % (Petukhov), 4,007 in 7,483 % (Gnelinsky) ter 3,883 % in 4,937 % ( Nott-Belter).vrtnica).V tem primeru sta povprečna in največja napaka med rezultati simulacije in enačbo koeficienta trenja 7,346 % in 8,039 % (Blasius) oziroma 8,117 % in 9,002 % (Petukhov).
Prenos toplote in hidrodinamične lastnosti DW pri različnih Reynoldsovih številih z uporabo numeričnih izračunov in empiričnih korelacij.
V tem razdelku so obravnavane toplotne lastnosti nekovalentnih (LNP-SDBS) in kovalentnih (LNP-COOH) vodnih nanotekočin pri treh različnih masnih deležih in Reynoldsovih številih kot povprečjih glede na osnovno tekočino (DW).Za 7000 ≤ Re ≤ 17000 sta obravnavani dve geometriji toplotnih izmenjevalnikov z navitimi trakovi (kot vijačnice 45° in 90°).4 prikazuje povprečno temperaturo na izstopu iz nanotekočine v osnovno tekočino (DW) (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{ DW } } \) ) pri (0,025 mas. %, 0,05 mas. % in 0,1 mas. %).(\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) je vedno manjša od 1, kar pomeni, da je izhodna temperatura je nekovalentna (VNP-SDBS) in kovalentna (VNP-COOH) nanotekočina pod temperaturo na izstopu iz osnovne tekočine.Najnižje in največje zmanjšanje je bilo 0,1 mas.%-COOH@GNPs oziroma 0,1 mas.%-SDBS@GNPs.Ta pojav je posledica povečanja Reynoldsovega števila pri konstantnem masnem deležu, kar povzroči spremembo lastnosti nanotekočine (to je gostote in dinamične viskoznosti).
Sliki 5 in 6 prikazujeta povprečne značilnosti prenosa toplote nanotekočine v osnovno tekočino (DW) pri (0,025 mas. %, 0,05 mas. % in 0,1 mas. %).Povprečne lastnosti prenosa toplote so vedno večje od 1, kar pomeni, da so lastnosti prenosa toplote nekovalentnih (LNP-SDBS) in kovalentnih (LNP-COOH) nanotekočin izboljšane v primerjavi z osnovno tekočino.0,1 wt%-COOH@GNPs in 0,1wt%-SDBS@GNPs sta dosegla najnižji oziroma največji dobiček.Ko se Reynoldsovo število poveča zaradi večjega mešanja tekočin in turbulence v cevi 1, se učinkovitost prenosa toplote izboljša.Tekočine skozi majhne reže dosežejo višje hitrosti, kar povzroči tanjšo mejno plast hitrost/toplota, kar poveča hitrost prenosa toplote.Dodajanje več nanodelcev osnovni tekočini ima lahko tako pozitivne kot negativne rezultate.Koristni učinki vključujejo povečane trke nanodelcev, ugodne zahteve glede toplotne prevodnosti tekočine in izboljšan prenos toplote.
Koeficient toplotnega prehoda nanotekočine na osnovno tekočino v odvisnosti od Reynoldsovega števila za 45° in 90° cevi.
Hkrati je negativen učinek povečanje dinamične viskoznosti nanotekočine, kar zmanjša mobilnost nanotekočine, s čimer se zmanjša povprečno Nusseltovo število (Nuavg).Povečana toplotna prevodnost nanotekočin (ZNP-SDBS@DW) in (ZNP-COOH@DW) naj bi bila posledica Brownovega gibanja in mikrokonvekcije nanodelcev grafena, suspendiranih v DW37.Toplotna prevodnost nanotekočine (ZNP-COOH@DV) je večja kot pri nanotekočini (ZNP-SDBS@DV) in destilirani vodi.Dodajanje več nanomaterialov osnovni tekočini poveča njihovo toplotno prevodnost (tabela 1)38.
Slika 7 prikazuje povprečni koeficient trenja nanotekočin z osnovno tekočino (DW) (f(NFs)/f(DW)) v masnih odstotkih (0,025%, 0,05% in 0,1%).Povprečni koeficient trenja je vedno ≈1, kar pomeni, da imajo nekovalentne (GNF-SDBS@DW) in kovalentne (GNF-COOH@DW) nanotekočine enak koeficient trenja kot osnovna tekočina.Toplotni izmenjevalnik z manj prostora ustvari večjo oviro za pretok in poveča trenje toka1.V bistvu se koeficient trenja nekoliko poveča z naraščanjem masnega deleža nanotekočine.Večje izgube zaradi trenja so posledica povečane dinamične viskoznosti nanotekočine in povečane strižne napetosti na površini z višjim masnim odstotkom nanografena v osnovni tekočini.Tabela (1) kaže, da je dinamična viskoznost nanotekočine (ZNP-SDBS@DV) višja kot pri nanotekočini (ZNP-COOH@DV) pri enakem masnem odstotku, kar je povezano z dodajanjem površinskih učinkov.aktivnih snovi na nekovalentni nanotekočini.
Na sl.8 prikazuje nanotekočino v primerjavi z osnovno tekočino (DW) (\(\frac{{\Delta P}_{NFs}}{{\Delta P}_{DW}}\)) pri (0,025%, 0,05% in 0,1% ).Nekovalentni (GNPs-SDBS@DW) nanofluid je pokazal večjo povprečno izgubo tlaka in s povečanjem masnega odstotka na 2,04 % za 0,025 % mas., 2,46 % za 0,05 % mas.in 3,44 % za 0,1 % mas.s povečavo ohišja (kot vijačnice 45° in 90°).Medtem je nanotekočina (GNPs-COOH@DW) pokazala nižjo povprečno izgubo tlaka, ki se je povečala z 1,31 % pri 0,025 % mas.do 1,65 % pri 0,05 % mas.Povprečna izguba tlaka 0,05 mas. %-COOH@NP in 0,1 mas. %-COOH@NP je 1,65 %.Kot je razvidno, padec tlaka narašča z naraščanjem števila Re v vseh primerih.Povečan padec tlaka pri visokih vrednostih Re je označen z neposredno odvisnostjo od volumskega pretoka.Zato višje število Re v cevi vodi do večjega padca tlaka, kar zahteva povečanje moči črpalke39,40.Poleg tega so izgube tlaka večje zaradi večje intenzivnosti vrtincev in turbulenc, ki jih povzroča večja površina, kar poveča interakcijo tlaka in vztrajnostnih sil v mejni plasti1.
Na splošno so merila za oceno učinkovitosti (PEC) za nekovalentne (VNP-SDBS@DW) in kovalentne (VNP-COOH@DW) nanotekočine prikazana na sl.9. Nanofluid (ZNP-SDBS@DV) je v obeh primerih pokazal višje vrednosti PEC kot (ZNP-COOH@DV) (kot vijačnice 45° in 90°) in je bil izboljšan s povečanjem masnega deleža, na primer 0,025 % mas.je 1,17, 0,05 mas. % je 1,19 in 0,1 mas. % je 1,26.Medtem so bile vrednosti PEC z uporabo nanotekočin (GNPs-COOH@DW) 1,02 za 0,025 mas. %, 1,05 za 0,05 mas. %, 1,05 za 0,1 mas. %.v obeh primerih (kot vijačnice 45° in 90°).1.02.Praviloma se s povečanjem Reynoldsovega števila termohidravlični izkoristek bistveno zmanjša.Ko se Reynoldsovo število povečuje, je zmanjšanje koeficienta toplotno-hidravlične učinkovitosti sistematično povezano s povečanjem (NuNFs/NuDW) in zmanjšanjem (fNFs/fDW).
Hidrotermalne lastnosti nanotekočin glede na osnovne tekočine v odvisnosti od Reynoldsovih števil za cevi s kotoma 45° in 90°.
Ta razdelek obravnava toplotne lastnosti vodnih (DW), nekovalentnih (VNP-SDBS@DW) in kovalentnih (VNP-COOH@DW) nanotekočin pri treh različnih masnih koncentracijah in Reynoldsovih številih.Za oceno povprečne toplotno-hidravlične zmogljivosti sta bili obravnavani dve geometriji toplotnega izmenjevalnika z navitimi trakovi v območju 7000 ≤ Re ≤ 17000 glede na običajne cevi (kota vijačnice 45° in 90°).Na sl.10 prikazuje temperaturo vode in nanotekočin na izhodu kot povprečje z uporabo (kot vijačnice 45° in 90°) za običajno cev (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{ {T} _{out}}_{Regular}}\)).Nekovalentni (GNP-SDBS@DW) in kovalentni (GNP-COOH@DW) nanofluidi imajo tri različne masne deleže, kot so 0,025 mas. %, 0,05 mas. % in 0,1 mas. %.Kot je prikazano na sl.11, povprečna vrednost izhodne temperature (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{{T}_{out}}_{Plain}}\)) > 1, kar kaže, da je (kot vijačnice 45° in 90°) temperatura na izhodu iz izmenjevalnika toplote pomembnejša kot pri običajni cevi zaradi večje intenzivnosti turbulence in boljšega mešanja tekočine.Poleg tega se je temperatura na izhodu iz DW, nekovalentnih in kovalentnih nanotekočin zmanjšala z naraščanjem Reynoldsovega števila.Osnovna tekočina (DW) ima najvišjo srednjo izhodno temperaturo.Medtem se najnižja vrednost nanaša na 0,1 mas.%-SDBS@GNP.Nekovalentni (GNPs-SDBS@DW) nanofluidi so pokazali nižjo povprečno izstopno temperaturo v primerjavi s kovalentnimi (GNPs-COOH@DW) nanofluidi.Ker zvit trak povzroči bolj mešano polje toka, lahko obstenski toplotni tok lažje prehaja skozi tekočino, kar poveča celotno temperaturo.Manjše razmerje med zvijanjem in trakom ima za posledico boljšo penetracijo in s tem boljši prenos toplote.Po drugi strani pa je razvidno, da zvit trak vzdržuje nižjo temperaturo ob steni, kar posledično poveča Nuavg.Za vložke z zvitim trakom višja vrednost Nuavg kaže izboljšan konvektivni prenos toplote znotraj cevi22.Zaradi povečane pretočne poti ter dodatnega mešanja in turbulence se podaljša zadrževalni čas, kar povzroči povišanje temperature tekočine na izhodu41.
Reynoldsova števila različnih nanotekočin glede na izhodno temperaturo običajnih cevi (45° in 90° kota vijačnice).
Koeficienti prenosa toplote (kot vijačnice 45° in 90°) glede na Reynoldsova števila za različne nanotekočine v primerjavi z običajnimi cevmi.
Glavni mehanizem izboljšanega prenosa toplote z zvitim trakom je naslednji: 1. Zmanjšanje hidravličnega premera cevi za izmenjavo toplote vodi do povečanja hitrosti toka in ukrivljenosti, kar posledično poveča strižno napetost na steni in spodbuja sekundarno gibanje.2. Zaradi blokade navijalnega traku se hitrost na steni cevi poveča, debelina mejne plasti pa se zmanjša.3. Spiralni tok za zvitim jermenom povzroči povečanje hitrosti.4. Inducirani vrtinci izboljšajo mešanje tekočine med osrednjimi in obstenskimi območji toka42.Na sl.11 in sl.12 prikazuje lastnosti prenosa toplote DW in nanofluidov, na primer (koeficient prenosa toplote in povprečno Nusseltovo število) kot povprečje z uporabo cevi za vstavljanje z zvitim trakom v primerjavi z običajnimi cevmi.Nekovalentni (GNP-SDBS@DW) in kovalentni (GNP-COOH@DW) nanofluidi imajo tri različne masne deleže, kot so 0,025 mas. %, 0,05 mas. % in 0,1 mas. %.V obeh toplotnih izmenjevalnikih (kot vijačnice 45° in 90°) je povprečna zmogljivost prenosa toplote >1, kar kaže na izboljšanje koeficienta toplotnega prenosa in povprečnega Nusseltovega števila z zvitimi cevmi v primerjavi z običajnimi cevmi.Nekovalentni (GNPs-SDBS@DW) nanofluidi so pokazali višje povprečno izboljšanje prenosa toplote kot kovalentni (GNPs-COOH@DW) nanofluidi.Pri Re = 900 je bilo 0,1-odstotno izboljšanje učinkovitosti prenosa toplote -SDBS@GNPs za dva toplotna izmenjevalnika (kot vijačnice 45° in 90°) največje z vrednostjo 1,90.To pomeni, da je enakomeren učinek TP bolj pomemben pri nižjih hitrostih tekočine (Reynoldsovo število)43 in naraščajoči intenzivnosti turbulence.Zaradi uvedbe več vrtincev sta koeficient toplotnega prehoda in povprečno Nusseltovo število cevi TT višja od običajnih cevi, kar ima za posledico tanjšo mejno plast.Ali prisotnost TČ poveča intenzivnost turbulenc, mešanje tokov delovne tekočine in povečan prenos toplote v primerjavi z osnovnimi cevmi (brez vstavljanja sukano-sukanega traku)21.
Povprečno Nusseltovo število (kot vijačnice 45° in 90°) v primerjavi z Reynoldsovim številom za različne nanotekočine v primerjavi z običajnimi cevmi.
Sliki 13 in 14 prikazujeta povprečni koeficient trenja (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain}}\)) in izgubo tlaka (\(\frac{{\Delta P} _ {Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\}} približno 45° in 90° za običajne cevi, ki uporabljajo nanotekočine DW, (GNPs-SDBS@DW) in (GNPs-COOH@DW) ionski izmenjevalec vsebuje (0,025 mas. %, 0,05 mas. % in 0,1 mas. %). { {f}_{Plain} }\)) in izguba tlaka (\(\frac{{ \Delta P}_{Twisted}}{{\Delta P }_{Plain}}\}) zmanjšata. primerih sta koeficient trenja in izguba tlaka večja pri nižjih Reynoldsovih številih. Povprečni koeficient trenja in izguba tlaka sta med 3,78 in 3,12. Povprečni koeficient trenja in izguba tlaka kažeta, da (45° vijačnica kotom in 90°) stroški toplotnega izmenjevalnika trikrat višji od običajnih cevi.Poleg tega, ko delovna tekočina teče z večjo hitrostjo, se koeficient trenja zmanjša.Težava nastane, ker se z večanjem Reynoldsovega števila debelina mejne plasti zmanjša. zmanjša, kar povzroči zmanjšanje učinka dinamične viskoznosti na prizadeto območje, zmanjšanje gradientov hitrosti in strižnih napetosti ter posledično zmanjšanje koeficienta trenja21.Izboljšan blokirni učinek zaradi prisotnosti TT in povečanega vrtinčenja povzroči bistveno večje izgube tlaka pri heterogenih TT ceveh kot pri osnovnih ceveh.Poleg tega je tako za osnovno cev kot za TT cev razvidno, da se padec tlaka povečuje s hitrostjo delovne tekočine43.
Koeficient trenja (45° in 90° kot vijačnice) v primerjavi z Reynoldsovim številom za različne nanotekočine v primerjavi z običajnimi cevmi.
Izguba tlaka (45° in 90° kot vijačnice) kot funkcija Reynoldsovega števila za različne nanotekočine glede na običajno cev.
Če povzamemo, slika 15 prikazuje merila za oceno učinkovitosti (PEC) za toplotne izmenjevalnike s kotoma 45° in 90° v primerjavi z navadnimi cevmi (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}} \ ) ) v (0,025 mas. %, 0,05 mas. % in 0,1 mas. %) z uporabo DV, (VNP-SDBS@DV) in kovalentnih (VNP-COOH@DV) nanotekočin.Vrednost (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) > 1 v obeh primerih (kot vijačnice 45° in 90°) v izmenjevalniku toplote.Poleg tega (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) doseže svojo najboljšo vrednost pri Re = 11.000.90° toplotni izmenjevalnik kaže rahlo povečanje (\ (\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) v primerjavi s 45° toplotnim izmenjevalnikom., pri Re = 11.000 0,1 wt%-GNPs@SDBS predstavlja višje (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) vrednosti, npr. 1,25 za kot toplotnega izmenjevalnika 45° in 1,27 za kotni izmenjevalnik toplote 90°.Večja je od ena pri vseh odstotkih masnega deleža, kar pomeni, da so cevi z vložki iz sukanega traku boljše od običajnih cevi.Predvsem je izboljšan prenos toplote, ki ga zagotavljajo tračni vložki, povzročil znatno povečanje izgub zaradi trenja22.
Merila učinkovitosti za Reynoldsovo število različnih nanotekočin glede na običajne cevi (45° in 90° kot vijačnice).
Dodatek A prikazuje pretočne črte za toplotne izmenjevalnike 45° in 90° pri Re = 7000 z uporabo DW, 0,1 mas.%-GNP-SDBS@DW in 0,1 mas.%-GNP-COOH@DW.Linije pretoka v prečni ravnini so najbolj presenetljiva značilnost učinka zvitih trakov na glavni tok.Uporaba toplotnih izmenjevalnikov 45° in 90° kaže, da je hitrost v obstenskem območju približno enaka.Dodatek B medtem prikazuje obrise hitrosti za 45° in 90° toplotne izmenjevalnike pri Re = 7000 z uporabo DW, 0,1 mas.%-GNP-SDBS@DW in 0,1 mas.%-GNP-COOH@DW.Hitrostne zanke so na treh različnih lokacijah (rezinah), na primer Plain-1 (P1 = −30 mm), Plain-4 (P4 = 60 mm) in Plain-7 (P7 = 150 mm).Hitrost pretoka ob steni cevi je najmanjša, hitrost tekočine pa narašča proti središču cevi.Poleg tega se pri prehodu skozi zračni kanal poveča območje nizkih hitrosti v bližini stene.To je posledica rasti hidrodinamične mejne plasti, ki poveča debelino območja nizke hitrosti v bližini stene.Poleg tega povečanje Reynoldsovega števila poveča splošno raven hitrosti v vseh presekih, s čimer se zmanjša debelina območja nizke hitrosti v kanalu39.
Kovalentno in nekovalentno funkcionalizirane grafenske nanoplošče so bile ovrednotene v zvitih tračnih vložkih s kotoma vijačnice 45° in 90°.Toplotni izmenjevalnik je numerično rešen z uporabo modela turbulence SST k-omega pri 7000 ≤ Re ≤ 17000. Termofizične lastnosti so izračunane pri Tin = 308 K. Istočasno segrejte steno zvite cevi pri konstantni temperaturi 330 K. COOH@DV) je bil razredčen v treh masnih količinah, na primer (0,025 mas. %, 0,05 mas. % in 0,1 mas. %).Trenutna študija je upoštevala šest glavnih dejavnikov: izhodno temperaturo, koeficient prenosa toplote, povprečno Nusseltovo število, koeficient trenja, izgubo tlaka in merila za oceno učinkovitosti.Tu so glavne ugotovitve:
Povprečna izhodna temperatura (\({{T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) je vedno manjša od 1, kar pomeni, da brez širjenja Izhodna temperatura valentnih (ZNP-SDBS@DV) in kovalentnih (ZNP-COOH@DV) nanotekočin je nižja od temperature osnovne tekočine.Medtem je povprečna izhodna temperatura (\({{T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\)) vrednost > 1, kar kaže na dejstvo, da je (kot vijačnice 45° in 90°) izhodna temperatura višja kot pri običajnih ceveh.
V obeh primerih povprečne vrednosti lastnosti prenosa toplote (nanotekočina/osnovna tekočina) in (zvita cev/normalna cev) vedno kažejo >1.Nekovalentni (GNPs-SDBS@DW) nanofluidi so pokazali višje povprečno povečanje prenosa toplote, kar ustreza kovalentnim (GNPs-COOH@DW) nanofluidom.
Povprečni koeficient trenja (\({f}_{Nanofluids}/{f}_{Basefluid}\)) nekovalentnih (VNP-SDBS@DW) in kovalentnih (VNP-COOH@DW) nanotekočin je vedno ≈1 .trenje nekovalentnih (ZNP-SDBS@DV) in kovalentnih (ZNP-COOH@DV) nanotekočin (\({f}_{Twisted}/{f}_{Plain}\)) za vedno > 3.
V obeh primerih (45° in 90° kot vijačnice) so nanotekočine (GNPs-SDBS@DW) pokazale višje (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) 0,025 % za 2,04 %, 0,05 % za 2,46 % in 0,1 % za 3,44 %.Medtem so (GNPs-COOH@DW) nanofluidi pokazali nižje (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) od 1,31 % za 0,025 mas. % na 1,65 % je 0,05 % teže.Poleg tega je povprečna izguba tlaka (\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\) nekovalentnega (GNPs-SDBS@DW) in kovalentnega (GNPs-COOH@DW) ))) nanotekočine vedno >3.
V obeh primerih (kot vijačnice 45° in 90°) so nanotekočine (GNPs-SDBS@DW) pokazale višjo (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC} _{Basefluid}\)) vrednost @DW) , npr. 0,025 mas. % – 1,17, 0,05 mas. % – 1,19, 0,1 mas. % – 1,26.V tem primeru so vrednosti (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\)) z uporabo (GNPs-COOH@DW) nanofluidov 1,02 za 0,025 mas. %, 1,05 za 0 , 05 mas.% in 1,02 je 0,1 mas. %.Poleg tega je pri Re = 11.000 0,1 wt%-GNPs@SDBS pokazalo višje vrednosti (\({PEC}_{Twisted}/{PEC}_{Plain}\)), kot je 1,25 za kot vijačnice 45° in kot vijačnice 90° 1,27.
Thianpong, C. et al.Večnamenska optimizacija pretoka nanofluida titanov dioksid/voda v toplotnem izmenjevalniku, izboljšana z vložki iz zvitega traku z delta krili.notranji J. Hot.znanost.172, 107318 (2022).
Langerudi, HG in Jawaerde, C. Eksperimentalna študija toka ne-newtonske tekočine v mehu, vstavljenem s tipičnimi zvitimi trakovi v obliki črke V.Prenos toplote in mase 55, 937–951 (2019).
Dong, X. et al.Eksperimentalna študija karakteristik prenosa toplote in pretočnega upora spiralno zasukanega cevnega izmenjevalnika toplote [J].Temperatura uporabe.projekt.176, 115397 (2020).
Yongsiri, K., Eiamsa-Ard, P., Wongcharee, K. & Eiamsa-Ard, SJCS Izboljšan prenos toplote v turbulentnem kanalskem toku s poševnimi ločilnimi rebri.aktualne raziskave.temperaturo.projekt.3, 1–10 (2014).
Čas objave: 17. marec 2023