304 جزء شیمیایی لوله مارپیچ فولادی ضد زنگ، آنالیز ترمودینامیکی نانوصفحات گرافن عاملدار کووالانسی و غیرکووالانسی در لوله های گرد مجهز به توربولاتور

از بازدید شما از Nature.com سپاسگزاریم.شما از یک نسخه مرورگر با پشتیبانی محدود CSS استفاده می کنید.برای بهترین تجربه، توصیه می کنیم از یک مرورگر به روز شده استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در اینترنت اکسپلورر غیرفعال کنید).علاوه بر این، برای اطمینان از پشتیبانی مداوم، سایت را بدون استایل و جاوا اسکریپت نشان می‌دهیم.
اسلایدرهایی که سه مقاله را در هر اسلاید نشان می دهند.برای حرکت در اسلایدها از دکمه های پشت و بعدی استفاده کنید یا از دکمه های کنترلر اسلاید در انتها برای حرکت در هر اسلاید استفاده کنید.

304 لوله 10 * 1 میلی متر فولاد ضد زنگ در چین

اندازه: 3/4 اینچ، 1/2 اینچ، 1 اینچ، 3 اینچ، 2 اینچ

طول لوله واحد: 6 متر

درجه فولاد: 201، 304 و 316

درجه: 201، 202، 304، 316، 304L، 316 L،

جنس: فولاد ضد زنگ

وضعیت: نو

نانوسیال‌های کووالانسی و غیرکووالانسی در لوله‌های گرد مجهز به نوارهای پیچ خورده با زاویه‌های مارپیچ 45 درجه و 90 درجه آزمایش شدند.عدد رینولدز 7000 ≤ Re ≤ 17000 بود، خواص ترموفیزیکی در 308 K ارزیابی شد.غلظت (0.025 wt.٪، 0.05 wt.٪، و 0.1 wt.%) نانوسیالات ZNP-SDBS@DV و ZNP-COOH@DV در کار در نظر گرفته شد.دیواره‌های لوله‌های پیچ خورده در دمای ثابت 330 کلوین گرم می‌شوند. شش پارامتر در مطالعه حاضر در نظر گرفته شد: دمای خروجی، ضریب انتقال حرارت، عدد ناسلت متوسط، ضریب اصطکاک، افت فشار، و معیارهای ارزیابی عملکرد.در هر دو حالت (زاویه مارپیچ 45 درجه و 90 درجه)، نانوسیال ZNP-SDBS@DV خصوصیات حرارتی-هیدرولیکی بالاتری نسبت به ZNP-COOH@DV نشان داد و با افزایش کسر جرمی، به عنوان مثال، 0.025 وزنی افزایش یافت.و 0.05 وزنی1.19 است.درصد و 1.26 - 0.1 درصد وزنی.در هر دو مورد (زاویه مارپیچ 45 درجه و 90 درجه)، مقادیر ویژگی های ترمودینامیکی هنگام استفاده از GNP-COOH@DW 1.02 برای 0.025٪ وزنی، 1.05 برای 0.05٪ وزنی است.و 1.02 برای 0.1٪ وزنی.
مبدل حرارتی یک دستگاه ترمودینامیکی 1 است که برای انتقال حرارت در حین عملیات سرمایش و گرمایش استفاده می شود.خواص حرارتی-هیدرولیک مبدل حرارتی ضریب انتقال حرارت را بهبود می بخشد و مقاومت سیال کار را کاهش می دهد.چندین روش برای بهبود انتقال حرارت ایجاد شده است، از جمله تقویت کننده های آشفتگی 2، 3، 4، 5، 6، 7، 8، 9، 10، 11 و نانو سیالات 12، 13، 14، 15.درج نوار پیچ خورده به دلیل سهولت نگهداری و هزینه کم یکی از موفق ترین روش ها برای بهبود انتقال حرارت در مبدل های حرارتی است.
در یک سری از مطالعات تجربی و محاسباتی، خواص هیدروترمال مخلوط نانوسیال‌ها و مبدل‌های حرارتی با درج‌های نواری تابیده مورد بررسی قرار گرفت.در یک کار تجربی، خواص هیدروترمال سه نانوسیال فلزی مختلف (Ag@DW، Fe@DW و Cu@DW) در یک مبدل حرارتی نوار تابیده شده سوزنی (STT) مورد مطالعه قرار گرفت.در مقایسه با لوله پایه، ضریب انتقال حرارت STT 11٪ و 67٪ بهبود یافته است.طرح SST از نظر کارایی با پارامتر α = β = 0.33 از نظر اقتصادی بهترین است.علاوه بر این، افزایش 18.2٪ در n با Ag@DW مشاهده شد، اگرچه حداکثر افزایش افت فشار تنها 8.5٪ بود.فرآیندهای فیزیکی انتقال حرارت و افت فشار در لوله‌های متحدالمرکز با و بدون توربولاتور سیم پیچ با استفاده از جریان‌های آشفته نانوسیال Al2O3@DW با جابجایی اجباری مورد مطالعه قرار گرفت.حداکثر میانگین عدد Nusselt (Nuavg) و افت فشار در Re = 20000 مشاهده می شود که گام سیم پیچ = 25 میلی متر و نانوسیال Al2O3@DW 1.6 vol.%.مطالعات آزمایشگاهی نیز برای مطالعه ویژگی‌های انتقال حرارت و افت فشار نانوسیال‌های اکسید گرافن (GO@DW) که از طریق لوله‌های تقریبا دایره‌ای با درج‌های WC جریان می‌یابند، انجام شده است.نتایج نشان داد که 12/0 vol%-GO@DW ضریب انتقال حرارت همرفتی را حدود 77 درصد افزایش داد.در یک مطالعه تجربی دیگر، نانوسیال‌ها (TiO2@DW) برای مطالعه ویژگی‌های حرارتی-هیدرولیکی لوله‌های فرورفته مجهز به درج‌های نواری پیچ‌خورده ساخته شدند.حداکثر راندمان هیدروترمال 1.258 با استفاده از 0.15 vol%-TiO2@DW تعبیه شده در شفت های شیبدار 45 درجه با ضریب پیچش 3.0 به دست آمد.مدل‌های شبیه‌سازی تک‌فازی و دو فازی (هیبریدی) جریان و انتقال حرارت نانوسیال‌های CuO@DW را در غلظت‌های مختلف جامدات (۱ تا ۴ درصد حجمی) در نظر می‌گیرند.حداکثر راندمان حرارتی لوله ای که با یک نوار پیچ خورده وارد می شود 2.18 است و لوله ای که با دو نوار پیچ خورده در شرایط یکسان قرار می گیرد 2.04 است (مدل دو فاز Re = 36000 و 4 vol.%).جریان نانوسیال متلاطم غیر نیوتنی کربوکسی متیل سلولز (CMC) و اکسید مس (CuO) در لوله‌های اصلی و لوله‌های با درج‌های پیچ خورده مورد مطالعه قرار گرفته است.Nuavg بهبود 16.1٪ (برای خط لوله اصلی) و 60٪ (برای خط لوله سیم پیچ با نسبت (H/D = 5)) را نشان می دهد.به طور کلی، نسبت پیچش به روبان کمتر منجر به ضریب اصطکاک بالاتر می شود.در یک مطالعه تجربی، تأثیر لوله‌های با نوار تابیده (TT) و سیم‌پیچ‌ها (VC) بر خواص انتقال حرارت و ضریب اصطکاک با استفاده از نانوسیال‌های CuO@DW مورد بررسی قرار گرفت.با استفاده از 0.3 جلد.%CuO@DW در Re = 20000 امکان افزایش انتقال حرارت در لوله VK-2 را تا حداکثر مقدار 44.45% فراهم می کند.علاوه بر این، هنگام استفاده از کابل جفت پیچ خورده و درج سیم پیچ در شرایط مرزی یکسان، ضریب اصطکاک با عوامل 1.17 و 1.19 در مقایسه با DW افزایش می یابد.به طور کلی، راندمان حرارتی نانوسیال های وارد شده در سیم پیچ ها بهتر از نانوسیال های وارد شده در سیم های رشته ای است.مشخصه حجمی یک جریان نانوسیال آشفته (MWCNT@DW) در داخل یک لوله افقی وارد شده به یک سیم مارپیچ مورد مطالعه قرار گرفت.پارامترهای عملکرد حرارتی برای همه موارد > 1 بود، که نشان می‌دهد ترکیب نانوسیال‌ها با درج سیم‌پیچ انتقال حرارت را بدون مصرف توان پمپ بهبود می‌بخشد.ویژگی‌های هیدروترمال یک مبدل حرارتی دو لوله‌ای با درج‌های مختلف ساخته‌شده از یک نوار V شکل اصلاح‌شده پیچ خورده-پیچیده (VcTT) تحت شرایط یک جریان آشفته نانوسیال Al2O3 + TiO2@DW مورد مطالعه قرار گرفته‌اند.در مقایسه با DW در لوله های پایه، Nuavg بهبود قابل توجهی 132٪ و ضریب اصطکاک تا 55٪ دارد.علاوه بر این، کارایی انرژی نانوکامپوزیت Al2O3+TiO2@DW در یک مبدل حرارتی دو لوله26 مورد بحث قرار گرفت.آنها در مطالعه خود دریافتند که استفاده از Al2O3 + TiO2@DW و TT راندمان اکسرژی را در مقایسه با DW بهبود می بخشد.در مبدل‌های حرارتی لوله‌ای متحدالمرکز با توربولاتورهای VcTT، سینگ و سرکار27 از مواد تغییر فاز (PCM)، نانوسیال‌های تک/نانوکامپوزیتی پراکنده (Al2O3@DW با PCM و Al2O3 + PCM) استفاده کردند.آنها گزارش دادند که با کاهش ضریب پیچش و افزایش غلظت نانوذرات، انتقال حرارت و افت فشار افزایش می‌یابد.ضریب عمق V-notch بزرگتر یا ضریب عرض کوچکتر می تواند انتقال حرارت و افت فشار بیشتری را ایجاد کند.علاوه بر این، گرافن-پلاتین (Gr-Pt) برای بررسی گرما، اصطکاک و نرخ تولید کلی آنتروپی در لوله‌های با درج‌های 2-TT28 استفاده شده است.مطالعه آنها نشان داد که درصد کمتری از (Gr-Pt) به طور قابل توجهی تولید آنتروپی گرما را در مقایسه با توسعه آنتروپی اصطکاکی نسبتاً بالاتر کاهش داد.مخلوط نانوسیال Al2O3@MgO و WC مخروطی را می توان به عنوان یک مخلوط خوب در نظر گرفت، زیرا افزایش نسبت (h/Δp) می تواند عملکرد هیدروترمال مبدل حرارتی دو لوله ای را بهبود بخشد.یک مدل عددی برای ارزیابی صرفه‌جویی در انرژی و عملکرد زیست‌محیطی مبدل‌های حرارتی با نانوسیال‌های هیبریدی سه بخشی مختلف (THNF) (Al2O3 + گرافن + MWCNT) معلق در DW30 استفاده می‌شود.با توجه به معیارهای ارزیابی عملکرد (PEC) آن در محدوده 1.42-2.35، ترکیبی از درج توربولایزر پیچ خورده (DTTI) و (Al2O3 + گرافن + MWCNT) مورد نیاز است.
تاکنون توجه کمی به نقش عامل‌سازی کووالانسی و غیرکووالانسی در جریان هیدرودینامیکی در سیالات حرارتی شده است.هدف خاص این مطالعه مقایسه ویژگی‌های حرارتی-هیدرولیکی نانوسیال‌ها (ZNP-SDBS@DV) و (ZNP-COOH@DV) در نوارهای پیچ‌خورده با زاویه‌های مارپیچ ۴۵ درجه و ۹۰ درجه بود.خواص ترموفیزیکی در قلع = 308 کلوین اندازه گیری شد. در این مورد، سه کسر جرمی در فرآیند مقایسه در نظر گرفته شد، مانند (0.025 وزنی، 0.05 درصد وزنی و 0.1 درصد وزنی).انتقال تنش برشی در مدل جریان آشفته سه بعدی (SST k-ω) برای حل ویژگی‌های هیدرولیکی حرارتی استفاده می‌شود.بنابراین، این مطالعه کمک قابل توجهی به مطالعه خواص مثبت (انتقال گرما) و خواص منفی (افت فشار در اصطکاک)، نشان دادن ویژگی‌های حرارتی هیدرولیکی و بهینه‌سازی سیالات عامل واقعی در چنین سیستم‌های مهندسی می‌کند.
پیکربندی اصلی یک لوله صاف است (L = 900 میلی متر و Dh = 20 میلی متر).ابعاد نوار پیچ خورده درج شده (طول = 20 میلی متر، ضخامت = 0.5 میلی متر، پروفیل = 30 میلی متر).در این حالت طول، عرض و کورس پروفیل مارپیچ به ترتیب 20 میلی متر، 0.5 میلی متر و 30 میلی متر بود.نوارهای پیچ خورده به 45 درجه و 90 درجه تمایل دارند.سیالات کاری مختلف مانند DW، نانوسیالات غیرکووالانسی (GNF-SDBS@DW) و نانوسیالات کووالانسی (GNF-COOH@DW) در Tin = 308 K، سه غلظت جرمی مختلف و اعداد رینولدز متفاوت.آزمایش ها در داخل مبدل حرارتی انجام شد.دیواره بیرونی لوله مارپیچی در دمای سطح ثابت 330 کلوین گرم شد تا پارامترهای بهبود انتقال حرارت آزمایش شود.
روی انجیر1 به طور شماتیک یک لوله درج نوار پیچ خورده را با شرایط مرزی و منطقه مشبک نشان می دهد.همانطور که قبلا ذکر شد، شرایط مرزی سرعت و فشار برای بخش های ورودی و خروجی مارپیچ اعمال می شود.در دمای سطح ثابت، شرایط عدم لغزش بر روی دیواره لوله اعمال می شود.شبیه سازی عددی فعلی از یک راه حل مبتنی بر فشار استفاده می کند.در عین حال، از یک برنامه (ANSYS FLUENT 2020R1) برای تبدیل یک معادله دیفرانسیل جزئی (PDE) به سیستم معادلات جبری با استفاده از روش حجم محدود (FMM) استفاده می شود.روش SIMPLE مرتبه دوم (روش نیمه ضمنی برای معادلات متوالی وابسته به فشار) مربوط به سرعت-فشار است.باید تاکید کرد که همگرایی باقیمانده ها برای معادلات جرم، تکانه و انرژی به ترتیب کمتر از 103 و 106 است.
p نمودار حوزه های فیزیکی و محاسباتی: (الف) زاویه مارپیچ 90 درجه، (ب) زاویه مارپیچ 45 درجه، (ج) بدون تیغه مارپیچ.
برای توضیح خواص نانوسیالات از یک مدل همگن استفاده شده است.با ترکیب نانومواد در سیال پایه (DW)، یک سیال پیوسته با خواص حرارتی عالی تشکیل می شود.در این راستا، دما و سرعت سیال پایه و نانو ماده دارای مقدار یکسانی هستند.با توجه به تئوری ها و مفروضات فوق، جریان تک فاز کارآمد در این تحقیق کار می کند.مطالعات متعددی اثربخشی و کاربرد تکنیک‌های تک فازی را برای جریان نانوسیال نشان داده‌اند.
جریان نانوسیال باید متلاطم نیوتنی، تراکم ناپذیر و ساکن باشد.کار فشرده سازی و گرمایش ویسکوز در این مطالعه بی ربط است.علاوه بر این، ضخامت دیواره های داخلی و خارجی لوله در نظر گرفته نمی شود.بنابراین، معادلات جرم، تکانه و بقای انرژی که مدل حرارتی را تعریف می کنند را می توان به صورت زیر بیان کرد:
که در آن \(\overright arrow{V}\) بردار سرعت متوسط ​​است، Keff = K + Kt هدایت حرارتی موثر نانوسیالات کووالانسی و غیرکووالانسی است و ε نرخ اتلاف انرژی است.خواص ترموفیزیکی موثر نانوسیال ها، از جمله چگالی (ρ)، ویسکوزیته (μ)، ظرفیت گرمایی ویژه (Cp) و هدایت حرارتی (k) نشان داده شده در جدول، طی یک مطالعه تجربی در دمای 308 K1 هنگام استفاده اندازه گیری شد. در این شبیه سازها
شبیه‌سازی عددی جریان نانوسیال آشفته در لوله‌های معمولی و TT در اعداد رینولدز 7000 ≤ Re ≤ 17000 انجام شد. مدل Navier-Stokes، که معمولا در تحقیقات آیرودینامیکی استفاده می شود.علاوه بر این، این مدل بدون عملکرد دیوار کار می کند و در نزدیکی دیوارهای 35،36 دقیق است.معادلات حاکم بر مدل تلاطم (SST) κ-ω به شرح زیر است:
که در آن \(S\) مقدار نرخ کرنش و \(y\) فاصله تا سطح مجاور است.در همین حال، \({\alpha}_{1}\)، \({\alpha}_{2}\)، \({\beta}_{1}\)، \({\beta}_{ 2 }\)، \({\beta}^{*}\)، \({\sigma}_{{k}_{1}}\)، \({\sigma}_{{k}_{ 2 }}\)، \({\sigma}_{{\omega}_{1}}\) و \({\sigma}_{{\omega}_{2}}\) همه ثابت‌های مدل را نشان می‌دهند.F1 و F2 توابع ترکیبی هستند.نکته: F1 = 1 در لایه مرزی، 0 در جریان مقابل.
پارامترهای ارزیابی عملکرد برای مطالعه انتقال حرارت همرفتی آشفته، جریان نانوسیال کووالانسی و غیرکووالانسی استفاده می‌شوند، به عنوان مثال:
در این زمینه، (\(\rho\))، (\(v\))، (\({D}_{h}\)) و (\(\mu\)) برای چگالی، سرعت سیال استفاده می شود. ، قطر هیدرولیک و ویسکوزیته دینامیکی.({C}_{p}\, \mathrm{u}\, k\)) - ظرفیت گرمایی ویژه و هدایت حرارتی سیال جاری.همچنین (\(\dot{m}\)) به جریان جرمی اشاره دارد و ({T}_{out}-{T}_{in}\)) به اختلاف دمای ورودی و خروجی اشاره دارد.(NFs) به نانوسیالات کووالانسی و غیرکووالانسی و (DW) به آب مقطر (مایع پایه) اشاره دارد.\({A}_{s} = \pi DL\), \({\overline{T}}_{f}=\frac{\left({T}_{out}-{T}_{in }\right)}{2}\) و \({\overline{T}}_{w}=\sum \frac{{T}_{w}}{n}\).
خواص ترموفیزیکی سیال پایه (DW)، نانوسیال غیرکووالانسی (GNF-SDBS@DW)، و نانوسیال کووالانسی (GNF-COOH@DW) از ادبیات منتشر شده (مطالعات تجربی)، Sn = 308 K، به عنوان در جدول 134 نشان داده شده است. در یک آزمایش معمولی برای به دست آوردن یک نانوسیال غیرکووالانسی (GNP-SDBS@DW) با درصد جرم شناخته شده، گرم معینی از GNPهای اولیه در ابتدا روی یک ترازوی دیجیتالی وزن شدند.نسبت وزنی SDBS/GNP بومی (0.5:1) بر حسب DW وزن شده است.در این مورد، نانوسیالات کووالانسی (COOH-GNP@DW) با افزودن گروه های کربوکسیل به سطح GNP با استفاده از یک محیط قوی اسیدی با نسبت حجمی (1:3) HNO3 و H2SO4 سنتز شدند.نانوسیالات کووالانسی و غیرکووالانسی در DW با سه درصد وزنی مختلف مانند 0.025 وزنی، 0.05 درصد وزنی معلق شدند.و 0.1٪ از جرم.
آزمون‌های استقلال مش در چهار حوزه محاسباتی مختلف انجام شد تا اطمینان حاصل شود که اندازه مش بر شبیه‌سازی تأثیر نمی‌گذارد.در مورد لوله پیچشی 45 درجه، تعداد واحدهای با اندازه واحد 1.75 میلی متر 249033، تعداد واحد با اندازه واحد 2 میلی متر 307969، تعداد واحد با اندازه واحد 2.25 میلی متر 421،406 و تعداد واحدها می باشد. با اندازه واحد 2.5 میلی متر 564 940 به ترتیب.علاوه بر این، در مثال لوله پیچ خورده 90 درجه، تعداد عناصر با اندازه عنصر 1.75 میلی متر 245531، تعداد عناصر با اندازه عنصر 2 میلی متر 311،584، تعداد عناصر با اندازه عنصر 2.25 میلی متر است. 422708 و تعداد عناصر با اندازه عنصر 2.5 میلی متر به ترتیب 573826 است.دقت خوانش ویژگی های حرارتی مانند (Tout، htc و Nuavg) با کاهش تعداد عناصر افزایش می یابد.در عین حال، دقت مقادیر ضریب اصطکاک و افت فشار رفتار کاملاً متفاوتی را نشان داد (شکل 2).شبکه (2) به عنوان منطقه شبکه اصلی برای ارزیابی خصوصیات حرارتی هیدرولیک در مورد شبیه سازی شده استفاده شد.
آزمایش انتقال حرارت و عملکرد افت فشار مستقل از مش با استفاده از جفت لوله DW که در 45 درجه و 90 درجه پیچ خورده اند.
نتایج عددی حاضر برای عملکرد انتقال حرارت و ضریب اصطکاک با استفاده از همبستگی‌ها و معادلات تجربی معروف مانند دیتوس-بلتر، پتوخوف، گنلینسکی، نوتر-روس و بلاسیوس تایید شده‌اند.مقایسه در شرایط 7000≤Re≤17000 انجام شد.مطابق شکل3، میانگین و حداکثر خطای بین نتایج شبیه‌سازی و معادله انتقال حرارت 4.050 و 5.490% (Dittus-Belter)، 9.736 و 11.33% (Petukhov)، 4.007 و 7.483% (Gnelinsky) و 3.883% (4.883% و 4.893% و 4%) است. نات بلتر).گل سرخ).در این حالت میانگین و حداکثر خطای بین نتایج شبیه سازی و معادله ضریب اصطکاک به ترتیب 7.346% و 8.039% (Blasius) و 8.117% و 9.002% (پتوخوف) می باشد.
انتقال حرارت و خواص هیدرودینامیکی DW در اعداد مختلف رینولدز با استفاده از محاسبات عددی و همبستگی های تجربی
این بخش خواص حرارتی نانوسیالات آبی غیر کووالانسی (LNP-SDBS) و کووالانسی (LNP-COOH) را در سه کسر جرمی مختلف و اعداد رینولدز به عنوان میانگین نسبت به سیال پایه (DW) مورد بحث قرار می‌دهد.دو هندسه مبدل حرارتی تسمه سیم پیچی (زاویه مارپیچ 45 درجه و 90 درجه) برای 7000 ≤ Re ≤ 17000 مورد بحث قرار گرفته است. در شکل.4 میانگین دمای خروجی نانوسیال به سیال پایه (DW) را نشان می دهد (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{ DW } } \) ) در (0.025٪ وزنی، 0.05٪ وزنی و 0.1٪ وزنی).(\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) همیشه کمتر از 1 است، به این معنی که دمای خروجی نانوسیالات غیر کووالانسی (VNP-SDBS) و کووالانسی (VNP-COOH) کمتر از دمای خروجی مایع پایه هستند.کمترین و بیشترین کاهش به ترتیب 0.1 wt%-COOH@GNPs و 0.1wt%-SDBS@GNPs بود.این پدیده به دلیل افزایش عدد رینولدز در کسر جرمی ثابت است که منجر به تغییر در خواص نانوسیال (یعنی چگالی و ویسکوزیته دینامیکی) می‌شود.
شکل های 5 و 6 میانگین ویژگی های انتقال حرارت نانوسیال به سیال پایه (DW) را در (0.025 وزنی، 0.05 درصد وزنی و 0.1 درصد وزنی) نشان می دهد.میانگین خواص انتقال حرارت همیشه بیشتر از 1 است، به این معنی که خواص انتقال حرارت نانوسیال‌های غیرکووالانسی (LNP-SDBS) و کووالانسی (LNP-COOH) در مقایسه با سیال پایه افزایش می‌یابد.0.1 wt%-COOH@GNPs و 0.1wt%-SDBS@GNPs به ترتیب کمترین و بیشترین سود را به دست آوردند.هنگامی که عدد رینولدز به دلیل اختلاط بیشتر سیال و آشفتگی در لوله 1 افزایش می یابد، عملکرد انتقال حرارت بهبود می یابد.سیالات از طریق شکاف‌های کوچک به سرعت‌های بالاتری می‌رسند و در نتیجه یک لایه مرزی سرعت/حرارت نازک‌تر می‌شوند که سرعت انتقال حرارت را افزایش می‌دهد.افزودن نانوذرات بیشتر به سیال پایه می تواند نتایج مثبت و منفی داشته باشد.اثرات مفید شامل افزایش برخورد نانوذرات، الزامات هدایت حرارتی مطلوب سیال، و افزایش انتقال حرارت است.
ضریب انتقال حرارت نانوسیال به سیال پایه بسته به عدد رینولدز برای لوله های 45 درجه و 90 درجه.
در عین حال، یک اثر منفی افزایش ویسکوزیته دینامیکی نانوسیال است که تحرک نانوسیال را کاهش می‌دهد و در نتیجه میانگین عدد ناسلت (Nuavg) را کاهش می‌دهد.افزایش رسانایی حرارتی نانوسیالات (ZNP-SDBS@DW) و (ZNP-COOH@DW) باید به دلیل حرکت براونی و ریزهمرفت نانوذرات گرافن معلق در DW37 باشد.هدایت حرارتی نانوسیال (ZNP-COOH@DV) بالاتر از نانوسیال (ZNP-SDBS@DV) و آب مقطر است.افزودن نانومواد بیشتر به سیال پایه هدایت حرارتی آنها را افزایش می دهد (جدول 1)38.
شکل 7 میانگین ضریب اصطکاک نانوسیال ها با سیال پایه (DW) (f(NFs)/f(DW)) را در درصد جرمی (0.025٪، 0.05٪ و 0.1٪) نشان می دهد.میانگین ضریب اصطکاک همیشه ≈1 است، به این معنی که نانوسیالات غیرکووالانسی (GNF-SDBS@DW) و کووالانسی (GNF-COOH@DW) دارای ضریب اصطکاک یکسانی با سیال پایه هستند.یک مبدل حرارتی با فضای کمتر، انسداد جریان بیشتری ایجاد می کند و اصطکاک جریان را افزایش می دهد.اساساً با افزایش کسر جرمی نانوسیال، ضریب اصطکاک اندکی افزایش می‌یابد.تلفات اصطکاکی بیشتر ناشی از افزایش ویسکوزیته دینامیکی نانوسیال و افزایش تنش برشی روی سطح با درصد جرمی بالاتر نانوگرافن در سیال پایه است.جدول (1) نشان می دهد که ویسکوزیته دینامیکی نانوسیال (ZNP-SDBS@DV) بالاتر از نانوسیال (ZNP-COOH@DV) در همان درصد وزنی است که با افزودن اثرات سطحی همراه است.عوامل فعال روی یک نانوسیال غیر کووالانسی
روی انجیر8 نانوسیال را در مقایسه با سیال پایه (DW) (\(\frac{{\Delta P}_{NFs}}{{\Delta P}_{DW}}\)) در (0.025٪، 0.05٪ و 0.1٪) نشان می دهد. ).نانوسیال غیرکووالانسی (GNPs-SDBS@DW) افت فشار متوسط ​​بالاتری را نشان داد و با افزایش درصد جرمی به 2.04 درصد برای 0.025 درصد وزنی، 2.46 درصد برای 0.05 درصد وزنی.و 3.44٪ برای 0.1٪ وزنی.با بزرگ شدن کیس (زاویه مارپیچ 45 درجه و 90 درجه).در همین حال، نانوسیال (GNPs-COOH@DW) میانگین افت فشار کمتری را نشان داد و از 1.31 درصد در 0.025 درصد وزنی افزایش یافت.تا 1.65٪ در 0.05٪ وزنی.میانگین افت فشار 0.05 wt.%-COOH@NP و 0.1wt.%-COOH@NP 1.65% است.همانطور که مشاهده می شود با افزایش عدد Re در همه موارد افت فشار افزایش می یابد.افزایش افت فشار در مقادیر Re بالا با وابستگی مستقیم به جریان حجمی نشان داده می شود.بنابراین، عدد Re بالاتر در لوله منجر به افت فشار بیشتر می شود که نیاز به افزایش قدرت پمپ 39،40 دارد.علاوه بر این، تلفات فشار به دلیل شدت بیشتر گرداب ها و تلاطم های ایجاد شده توسط سطح بزرگتر است که باعث افزایش اندرکنش فشار و نیروهای اینرسی در لایه مرزی می شود.
به طور کلی، معیارهای ارزیابی عملکرد (PEC) برای نانوسیال‌های غیرکووالانسی (VNP-SDBS@DW) و کووالانسی (VNP-COOH@DW) در شکل‌های نشان داده شده‌اند.9. نانوسیال (ZNP-SDBS@DV) مقادیر PEC بالاتری نسبت به (ZNP-COOH@DV) در هر دو حالت نشان داد (زاویه مارپیچ 45 درجه و 90 درجه) و با افزایش کسر جرمی به عنوان مثال 0.025 بهبود یافت. wt.%.1.17، 0.05 درصد وزنی 1.19 و 0.1 درصد وزنی 1.26 است.در همین حال، مقادیر PEC با استفاده از نانوسیالات (GNPs-COOH@DW) 1.02 برای 0.025 wt، 1.05 برای 0.05 wt، 1.05 برای 0.1 wt٪ بود.در هر دو حالت (زاویه مارپیچ 45 درجه و 90 درجه).1.02.به عنوان یک قاعده، با افزایش عدد رینولدز، راندمان حرارتی هیدرولیک به طور قابل توجهی کاهش می یابد.با افزایش عدد رینولدز، کاهش ضریب راندمان حرارتی-هیدرولیک به طور سیستماتیک با افزایش (NuNFs/NuDW) و کاهش (fNFs/fDW) همراه است.
خواص هیدروترمال نانوسیالات با توجه به سیالات پایه بسته به اعداد رینولدز برای لوله های با زاویه 45 درجه و 90 درجه.
این بخش خواص حرارتی نانوسیالات آب (DW)، غیر کووالانسی (VNP-SDBS@DW) و کووالانسی (VNP-COOH@DW) را در سه غلظت جرمی مختلف و اعداد رینولدز مورد بحث قرار می‌دهد.دو هندسه مبدل حرارتی تسمه سیم پیچی در محدوده 7000 ≤ Re ≤ 17000 با توجه به لوله های معمولی (زوایای مارپیچ 45 درجه و 90 درجه) برای ارزیابی میانگین عملکرد حرارتی - هیدرولیکی در نظر گرفته شد.روی انجیر10 دمای آب و نانوسیال در خروجی را به صورت میانگین با استفاده از (زاویه مارپیچ 45 درجه و 90 درجه) برای یک لوله مشترک نشان می دهد (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{ {T} _{خارج}}_{منظم}}\)).نانوسیالات غیرکووالانسی (GNP-SDBS@DW) و کووالانسی (GNP-COOH@DW) دارای سه کسر وزنی مختلف مانند 0.025 وزنی، 0.05 درصد وزنی و 0.1 درصد وزنی هستند.همانطور که در شکل نشان داده شده است.11، مقدار متوسط ​​دمای خروجی (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{{T}_{out}}_{Plain}}\)) > 1، نشان می دهد که (زاویه مارپیچ 45 درجه و 90 درجه) درجه حرارت در خروجی مبدل حرارتی نسبت به یک لوله معمولی به دلیل شدت بیشتر تلاطم و اختلاط بهتر مایع قابل توجه تر است.علاوه بر این، دمای خروجی DW، نانوسیالات غیرکووالانسی و کووالانسی با افزایش عدد رینولدز کاهش یافت.سیال پایه (DW) بالاترین میانگین دمای خروجی را دارد.در همین حال، کمترین مقدار به 0.1 wt%-SDBS@GNP اشاره دارد.نانوسیالات غیرکووالانسی (GNPs-SDBS@DW) میانگین دمای خروجی کمتری را در مقایسه با نانوسیالات کووالانسی (GNPs-COOH@DW) نشان دادند.از آنجایی که نوار پیچ خورده باعث می شود میدان جریان بیشتر مخلوط شود، شار حرارتی نزدیک دیوار می تواند راحت تر از مایع عبور کند و دمای کلی را افزایش دهد.نسبت پیچش به نوار کمتر باعث نفوذ بهتر و در نتیجه انتقال حرارت بهتر می شود.از طرف دیگر، می توان مشاهده کرد که نوار نورد شده دمای کمتری را در مقابل دیوار حفظ می کند که به نوبه خود باعث افزایش Nuavg می شود.برای درج های نوار پیچ خورده، مقدار Nuavg بالاتر نشان دهنده بهبود انتقال حرارت همرفتی در لوله 22 است.به دلیل افزایش مسیر جریان و اختلاط و آشفتگی اضافی، زمان ماند افزایش می یابد و در نتیجه دمای مایع در خروجی افزایش می یابد.
تعداد رینولدز نانوسیال های مختلف نسبت به دمای خروجی لوله های معمولی (زوایای مارپیچ 45 درجه و 90 درجه).
ضرایب انتقال حرارت (زاویه مارپیچ 45 درجه و 90 درجه) در مقابل اعداد رینولدز برای نانوسیال‌های مختلف در مقایسه با لوله‌های معمولی.
مکانیسم اصلی انتقال حرارت نوار سیم پیچ افزایش یافته به شرح زیر است: 1. کاهش قطر هیدرولیکی لوله تبادل حرارت منجر به افزایش سرعت جریان و انحنا می شود که به نوبه خود تنش برشی در دیوار را افزایش می دهد و حرکت ثانویه را تقویت می کند.2. به دلیل مسدود شدن نوار سیم پیچ، سرعت در دیواره لوله افزایش می یابد و ضخامت لایه مرزی کاهش می یابد.3. جریان مارپیچ پشت تسمه پیچ خورده منجر به افزایش سرعت می شود.4. گردابه های القایی اختلاط سیال را بین نواحی مرکزی و نزدیک دیوار جریان بهبود می بخشد.روی انجیر11 و شکل.شکل 12 خواص انتقال حرارت DW و نانوسیالات را نشان می دهد، به عنوان مثال (ضریب انتقال حرارت و عدد ناسلت متوسط) به عنوان میانگین با استفاده از لوله های درج نوار پیچ خورده در مقایسه با لوله های معمولی.نانوسیالات غیرکووالانسی (GNP-SDBS@DW) و کووالانسی (GNP-COOH@DW) دارای سه کسر وزنی مختلف مانند 0.025 وزنی، 0.05 درصد وزنی و 0.1 درصد وزنی هستند.در هر دو مبدل حرارتی (زاویه مارپیچ 45 درجه و 90 درجه) میانگین عملکرد انتقال حرارت > 1 است که نشان دهنده بهبود ضریب انتقال حرارت و میانگین عدد ناسلت با لوله های سیم پیچی در مقایسه با لوله های معمولی است.نانوسیالات غیرکووالانسی (GNPs-SDBS@DW) نسبت به نانوسیالات کووالانسی (GNPs-COOH@DW) بهبود انتقال حرارت متوسط ​​بالاتری را نشان دادند.در Re = 900، بهبود 0.1 درصد وزنی در عملکرد انتقال حرارت -SDBS@GNPs برای دو مبدل حرارتی (زاویه مارپیچ 45 درجه و 90 درجه) با مقدار 1.90 بالاترین میزان بود.این بدان معنی است که اثر یکنواخت TP در سرعت های سیال کمتر (عدد رینولدز)43 و افزایش شدت آشفتگی مهم تر است.با توجه به معرفی گرداب های متعدد، ضریب انتقال حرارت و عدد ناسلت متوسط ​​لوله های TT بیشتر از لوله های معمولی است و در نتیجه لایه مرزی نازک تری ایجاد می شود.آیا وجود HP باعث افزایش شدت تلاطم، اختلاط جریان سیال عامل و افزایش انتقال حرارت در مقایسه با لوله های پایه (بدون قرار دادن نوار پیچ خورده) می شود.
میانگین عدد ناسلت (زاویه مارپیچ 45 درجه و 90 درجه) در مقابل عدد رینولدز برای نانوسیال‌های مختلف در مقایسه با لوله‌های معمولی.
شکل‌های 13 و 14 میانگین ضریب اصطکاک (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain}}\)) و افت فشار (\(\frac{{\Delta P} را نشان می‌دهند. _ {Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\}} حدود 45 درجه و 90 درجه برای لوله های معمولی با استفاده از نانوسیالات DW، (GNPs-SDBS@DW) و (GNPs-COOH@DW) مبدل یونی حاوی (0.025 wt %, 0.05 wt % و 0.1 wt %). {{f}_{Plain} }\)) و افت فشار (\(\frac{{ \Delta P}_{Twisted}}{{\Delta P }_{ساده}}\}) کاهش می‌یابد. موارد، ضریب اصطکاک و افت فشار در اعداد رینولدز پایین‌تر بیشتر است. متوسط ​​ضریب اصطکاک و افت فشار بین 3.78 تا 3.12 است. متوسط ​​ضریب اصطکاک و افت فشار نشان می‌دهد که (مارپیچ 45 درجه قیمت مبدل حرارتی با زاویه و 90 درجه سه برابر بیشتر از لوله های معمولی است.علاوه بر این، زمانی که سیال کار با سرعت بیشتری جریان می یابد، ضریب اصطکاک کاهش می یابد. کاهش می یابد که منجر به کاهش اثر ویسکوزیته دینامیکی در ناحیه آسیب دیده، کاهش گرادیان های سرعت و تنش های برشی و در نتیجه کاهش ضریب اصطکاک می شود.اثر انسداد بهبود یافته به دلیل وجود TT و افزایش چرخش منجر به تلفات فشار قابل توجهی بالاتر برای لوله‌های TT ناهمگن نسبت به لوله‌های پایه می‌شود.علاوه بر این، هم برای لوله پایه و هم برای لوله TT مشاهده می شود که افت فشار با سرعت سیال کار افزایش می یابد.
ضریب اصطکاک (زاویه مارپیچ 45 درجه و 90 درجه) در مقابل عدد رینولدز برای نانوسیال‌های مختلف در مقایسه با لوله‌های معمولی.
کاهش فشار (زاویه مارپیچ 45 درجه و 90 درجه) به عنوان تابعی از عدد رینولدز برای نانوسیال های مختلف نسبت به یک لوله معمولی.
به طور خلاصه، شکل 15 معیارهای ارزیابی عملکرد (PEC) را برای مبدل های حرارتی با زاویه 45 درجه و 90 درجه در مقایسه با لوله های ساده نشان می دهد (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}} \ ) در (0.025 wt.%, 0.05 wt.% و 0.1 wt.%) با استفاده از نانوسیالات DV، (VNP-SDBS@DV) و کووالانسی (VNP-COOH@DV).مقدار (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) > 1 در هر دو مورد (زاویه مارپیچ 45 درجه و 90 درجه) در مبدل حرارتی.علاوه بر این، (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) به بهترین مقدار خود در Re = 11000 می‌رسد.مبدل حرارتی 90 درجه افزایش جزئی در (\ (\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) در مقایسه با مبدل حرارتی 45 درجه نشان می‌دهد., در Re = 11,000 0.1 wt%-GNPs@SDBS مقادیر بالاتر (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) را نشان می‌دهد، به عنوان مثال 1.25 برای گوشه مبدل حرارتی 45 درجه و 1.27 برای مبدل حرارتی گوشه 90 درجه.در تمام درصدهای کسر جرمی بیشتر از یک است، که نشان می دهد لوله های با نوار پیچ خورده نسبت به لوله های معمولی برتری دارند.قابل توجه، انتقال حرارت بهبود یافته ارائه شده توسط درج های نوار منجر به افزایش قابل توجهی در تلفات اصطکاک می شود.
معیارهای کارایی برای تعداد رینولدز نانوسیال های مختلف در رابطه با لوله های معمولی (زاویه مارپیچ 45 درجه و 90 درجه).
پیوست A خطوط ساده را برای مبدل های حرارتی 45 درجه و 90 درجه در Re = 7000 با استفاده از DW، 0.1 wt%-GNP-SDBS@DW و 0.1wt%-GNP-COOH@DW نشان می دهد.خطوط جریان در صفحه عرضی بارزترین ویژگی تأثیر نوارهای پیچ خورده درج بر جریان اصلی است.استفاده از مبدل های حرارتی 45 درجه و 90 درجه نشان می دهد که سرعت در ناحیه نزدیک دیوار تقریباً یکسان است.در همین حال، ضمیمه B خطوط سرعت را برای مبدل‌های حرارتی 45 درجه و 90 درجه در Re = 7000 با استفاده از DW، 0.1 wt%-GNP-SDBS@DW و 0.1wt%-GNP-COOH@DW نشان می‌دهد.حلقه های سرعت در سه مکان مختلف (برش) قرار دارند، به عنوان مثال، Plain-1 (P1 = -30mm)، Plain-4 (P4 = 60mm) و Plain-7 (P7 = 150mm).سرعت جریان در نزدیکی دیواره لوله کمترین است و سرعت سیال به سمت مرکز لوله افزایش می یابد.علاوه بر این، هنگام عبور از مجرای هوا، مساحت سرعت کم در نزدیکی دیوار افزایش می یابد.این به دلیل رشد لایه مرزی هیدرودینامیکی است که ضخامت ناحیه کم سرعت نزدیک دیوار را افزایش می دهد.علاوه بر این، افزایش عدد رینولدز باعث افزایش سطح سرعت کلی در تمام مقاطع می شود و در نتیجه ضخامت ناحیه کم سرعت در کانال را کاهش می دهد.
نانوصفحات گرافن عاملدار کووالانسی و غیرکووالانسی در نوارهای پیچ خورده با زوایای مارپیچ 45 درجه و 90 درجه ارزیابی شدند.مبدل حرارتی به صورت عددی با استفاده از مدل آشفتگی SST k-omega در 7000 ≤ Re ≤ 17000 حل می شود. خواص ترموفیزیکی در Tin = 308 K محاسبه می شود. همزمان دیواره لوله پیچ خورده را در دمای ثابت 330 K گرم کنید. COOH@DV) در سه مقدار وزنی، به عنوان مثال (0.025 وزنی، 0.05 درصد وزنی و 0.1 وزنی درصد) رقیق شد.مطالعه حاضر شش عامل اصلی را در نظر گرفت: دمای خروجی، ضریب انتقال حرارت، عدد ناسلت متوسط، ضریب اصطکاک، افت فشار و معیارهای ارزیابی عملکرد.در اینجا یافته های اصلی آمده است:
میانگین دمای خروجی (\({T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) همیشه کمتر از 1 است، به این معنی که غیر پخش شده دمای خروجی نانوسیال ظرفیت (ZNP-SDBS@DV) و کووالانسی (ZNP-COOH@DV) کمتر از مایع پایه است.در همین حال، میانگین دمای خروجی (\({T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\)) مقدار > 1، نشان دهنده این واقعیت که (زاویه مارپیچ 45 درجه و 90 درجه) دمای خروجی بالاتر از لوله های معمولی است.
در هر دو مورد، مقادیر متوسط ​​خواص انتقال حرارت (نانوسیال/سیال پایه) و (لوله پیچ خورده/لوله معمولی) همیشه >1 نشان می دهد.نانوسیالات غیرکووالانسی (GNPs-SDBS@DW) افزایش میانگین بالاتری را در انتقال حرارت نشان دادند که مربوط به نانوسیالات کووالانسی (GNPs-COOH@DW) است.
میانگین ضریب اصطکاک (\({f}_{نانوسیالات}/{f}_{سیال پایه}\)) نانوسیال‌های غیرکووالانسی (VNP-SDBS@DW) و کووالانسی (VNP-COOH@DW) همیشه ≈1 است. .اصطکاک نانوسیالات غیرکووالانسی (ZNP-SDBS@DV) و کووالانسی (ZNP-COOH@DV) (\({f}_{پیچیده}/{f}_{ساده}\)) برای همیشه > 3.
در هر دو حالت (زاویه مارپیچ 45 درجه و 90 درجه)، نانوسیالات (GNPs-SDBS@DW) بالاتر نشان داده شدند (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) 0.025 درصد وزنی برای 2.04 درصد، 0.05 درصد وزنی برای 2.46 درصد و 0.1 درصد وزنی برای 3.44 درصد.در همین حال، نانوسیالات (GNPs-COOH@DW) کمتر (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) را از 1.31% برای 0.025% وزنی به 1.65% نشان دادند که 0.05 است. درصد وزنیعلاوه بر این، میانگین افت فشار (\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\) غیر کووالانسی (GNPs-SDBS@DW) و کووالانسی (GNPs-COOH@DW) ))) نانوسیال همیشه > 3.
در هر دو حالت (زوایای مارپیچ 45 درجه و 90 درجه)، نانوسیالات (GNPs-SDBS@DW) یک مقدار بالاتر (\({PEC}_{نانوسیال}/{PEC} _{Basefluid}\)) @DW را نشان دادند. به عنوان مثال 0.025 درصد وزنی - 1.17، 0.05 درصد وزنی - 1.19، 0.1 درصد وزنی - 1.26.در این مورد، مقادیر (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\)) با استفاده از نانوسیالات (GNPs-COOH@DW) 1.02 برای 0.025 وزنی، 1.05 برای 0 است. 05 وزنیدرصد و 1.02 0.1 درصد وزنی است.علاوه بر این، در Re = 11000، 0.1 wt%-GNPs@SDBS مقادیر بالاتری را نشان داد (\({PEC}_{Twisted}/{PEC}_{Plain}\))، مانند 1.25 برای زاویه مارپیچ 45 درجه و زاویه مارپیچ 90 درجه 1.27.
تیان پونگ، سی و همکاران.بهینه‌سازی چند منظوره نانوسیال دی‌اکسید تیتانیوم/جریان آب در مبدل حرارتی، که توسط نوارهای پیچ‌خورده با بال‌های دلتا تقویت شده است.داخلی J. Hot.علم.172, 107318 (2022).
Langerudi, HG and Jawaerde, C. مطالعه تجربی جریان سیال غیر نیوتنی در دم درج شده با نوارهای پیچ خورده معمولی و V شکل.انتقال حرارت و جرم 55، 937–951 (2019).
دونگ، ایکس و همکاران.مطالعه تجربی ویژگی‌های انتقال حرارت و مقاومت جریان یک مبدل حرارتی لوله‌ای مارپیچی [J].دمای کاربردپروژه176, 115397 (2020).
Yongsiri، K.، Eiamsa-Ard، P.، Wongcharee، K. & Eiamsa-Ard، SJCS انتقال حرارت بهبود یافته در جریان کانال آشفته با باله های جداکننده مورب.تحقیق موضعیدرجه حرارت.پروژه3، 1-10 (2014).