Благодарим вас за посещение Nature.com.Вы используете версию браузера с ограниченной поддержкой CSS.Для оптимальной работы мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).Кроме того, для обеспечения постоянной поддержки мы показываем сайт без стилей и JavaScript.
Слайдеры, показывающие по три статьи на слайде.Используйте кнопки «Назад» и «Далее» для перемещения по слайдам или кнопки контроллера слайдов в конце для перемещения по каждому слайду.
304 10*1 мм колтюбинг из нержавеющей стали в Китае
Размер: 3/4 дюйма, 1/2 дюйма, 1 дюйм, 3 дюйма, 2 дюйма
Длина единичной трубы: 6 метров
Марка стали: 201, 304 И 316
Марка: 201, 202, 304, 316, 304Л, 316 Л,
Материал: НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ
Состояние: Новое
Трубчатая катушка из нержавеющей стали
Размер: 3/4 дюйма, 1/2 дюйма, 1 дюйм, 3 дюйма, 2 дюйма
Длина единичной трубы: 6 метров
Марка стали: 201, 304 И 316
Марка: 201, 202, 304, 316, 304Л, 316 Л,
Материал: НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ
Состояние: Новое
Ковалентные и нековалентные наножидкости тестировались в круглых трубках, снабженных вставками из витой ленты с углами спирали 45° и 90°.Число Рейнольдса составляло 7000 ≤ Re ≤ 17000, теплофизические свойства оценивались при 308 К. Физическая модель решена численно с использованием двухпараметрической модели турбулентной вязкости (SST k-omega турбулентность).В работе учитывались концентрации (0,025 мас.%, 0,05 мас.% и 0,1 мас.%) наножидкостей ZNP-SDBS@DV и ZNP-COOH@DV.Стенки скрученных трубок нагреваются при постоянной температуре 330 К. В настоящем исследовании рассматривались шесть параметров: температура на выходе, коэффициент теплопередачи, среднее число Нуссельта, коэффициент трения, потери давления и критерии оценки производительности.В обоих случаях (угол спирали 45° и 90°) наножидкость ЗНП-СДБС@ДВ показала более высокие теплогидравлические характеристики, чем ЗНП-СООН@ДВ, и они увеличивались с увеличением массовой доли, например, 0,025 мас., и 0,05 мас.составляет 1,19.% и 1,26 – 0,1 мас.%.В обоих случаях (угол спирали 45° и 90°) значения термодинамических характеристик при использовании GNP-COOH@DW составляют 1,02 для 0,025% мас., 1,05 для 0,05% мас.и 1,02 для 0,1% мас.
Теплообменник представляет собой термодинамическое устройство 1, используемое для передачи тепла во время операций охлаждения и нагрева.Теплогидравлические свойства теплообменника улучшают коэффициент теплопередачи и снижают сопротивление рабочей жидкости.Было разработано несколько методов улучшения теплопередачи, включая усилители турбулентности2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 и наножидкости12,13,14,15.Вставка витой ленты является одним из наиболее успешных методов улучшения теплопередачи в теплообменниках благодаря простоте обслуживания и низкой стоимости7,16.
В серии экспериментальных и расчетных исследований изучены гидротермические свойства смесей наножидкостей и теплообменников с витыми ленточными вставками.В экспериментальной работе гидротермические свойства трех различных металлических наножидкостей (Ag@DW, Fe@DW и Cu@DW) были изучены в теплообменнике с игольчатой лентой (STT)17.По сравнению с базовой трубой коэффициент теплопередачи STT улучшен на 11% и 67%.Схема ССТ является наилучшей с экономической точки зрения по КПД с параметром α = β = 0,33.Кроме того, при использовании Ag@DW наблюдалось увеличение n на 18,2%, хотя максимальное увеличение потери давления составило всего 8,5%.Физические процессы теплопередачи и потери давления в концентрических трубах со спиральными турбуляторами и без них исследованы с использованием турбулентных потоков наножидкости Al2O3@DW с вынужденной конвекцией.Максимальные средние числа Нуссельта (Nuavg) и потери давления наблюдаются при Re = 20 000 при шаге катушки = 25 мм и наножидкости Al2O3@DW 1,6 об.%.Также были проведены лабораторные исследования по изучению характеристик теплопередачи и потери давления наножидкостей оксида графена (GO@DW), протекающих через почти круглые трубы со вставками из WC.Результаты показали, что 0,12 об.%-GO@DW увеличило коэффициент конвективной теплопередачи примерно на 77%.В другом экспериментальном исследовании наножидкости (TiO2@DW) были разработаны для изучения теплогидравлических характеристик трубок с углублениями, оснащенных вставками из скрученной ленты20.Максимальный гидротермальный КПД 1,258 был достигнут при использовании 0,15 об.% TiO2@DW, встроенного в наклонные шахты под углом 45° и коэффициентом закручивания 3,0.Однофазные и двухфазные (гибридные) имитационные модели учитывают течение и теплообмен наножидкостей CuO@DW при различных концентрациях твердых веществ (1–4% об.%)21.Максимальный тепловой КПД трубки, вставленной одной витой лентой, составляет 2,18, а трубки, вставленной двумя витыми лентами, в тех же условиях - 2,04 (двухфазная модель, Re = 36 000 и 4 об.%).Исследовано неньютоновское турбулентное течение наножидкости карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) и оксида меди (CuO) в магистральных трубах и трубах с закрученными вставками.Nuavg показывает улучшение на 16,1% (для магистрального трубопровода) и 60% (для змеевика с соотношением (H/D = 5)).Как правило, более низкое соотношение скручивания к ленте приводит к более высокому коэффициенту трения.В экспериментальном исследовании с использованием наножидкостей CuO@DW изучено влияние труб со скрученной лентой (ТТ) и змеевиков (ВК) на свойства теплопередачи и коэффициент трения.Используя 0,3 об.%-CuO@DW при Re = 20 000 позволяет увеличить теплоотдачу в трубе ВК-2 до максимального значения 44,45 %.Кроме того, при использовании витой пары и вставки катушки при одинаковых граничных условиях коэффициент трения увеличивается в 1,17 и 1,19 раза по сравнению с ДВ.В целом, термический КПД наножидкостей, вставленных в катушки, выше, чем у наножидкостей, вставленных в многожильные провода.Объемная характеристика турбулентного потока наножидкости (MWCNT@DW) изучалась внутри горизонтальной трубки, вставленной в спиральную проволоку.Параметры тепловых характеристик были > 1 для всех случаев, что указывает на то, что сочетание нанофлюидики со вставкой катушки улучшает теплопередачу без потребления мощности насоса.Исследованы гидротермические характеристики двухтрубного теплообменника с различными вставками из модифицированной скрученной V-образной ленты (ВкТТ) в условиях турбулентного течения наножидкости Al2O3 + TiO2@DW.По сравнению с DW в базовых трубах Nuavg имеет значительное улучшение на 132% и коэффициент трения до 55%.Кроме того, обсуждалась энергетическая эффективность нанокомпозита Al2O3+TiO2@DW в двухтрубном теплообменнике26.В своем исследовании они обнаружили, что использование Al2O3 + TiO2@DW и TT повышает эксергетический КПД по сравнению с DW.В концентрических трубчатых теплообменниках с турбуляторами VcTT Сингх и Саркар27 использовали материалы с фазовым переходом (PCM), дисперсные одиночные/нанокомпозитные наножидкости (Al2O3@DW с PCM и Al2O3 + PCM).Они сообщили, что теплопередача и потери давления увеличиваются по мере уменьшения коэффициента скручивания и увеличения концентрации наночастиц.Больший коэффициент глубины V-образного выреза или меньший коэффициент ширины может обеспечить большую теплопередачу и потерю давления.Кроме того, графен-платина (Gr-Pt) использовалась для исследования тепла, трения и общей скорости генерации энтропии в трубках со вставками 2-TT28.Их исследование показало, что меньший процент (Gr-Pt) значительно снижает выделение тепловой энтропии по сравнению с относительно более высоким развитием энтропии трения.Смешанные наножидкости Al2O3@MgO и конический WC можно рассматривать как хорошую смесь, поскольку повышенное соотношение (h/Δp) может улучшить гидротермические характеристики двухтрубного теплообменника 29 .С помощью численной модели оценены энергосберегающие и экологические характеристики теплообменников с различными трехкомпонентными гибридными наножидкостями (THNF) (Al2O3 + графен + МУНТ), суспендированными в DW30.Из-за критериев оценки производительности (PEC) в диапазоне 1,42–2,35 требуется комбинация вставки витого турбулизатора с пониженным давлением (DTTI) и (Al2O3 + Графен + MWCNT).
До сих пор мало внимания уделялось роли ковалентной и нековалентной функционализации в гидродинамическом течении в термальных жидкостях.Конкретной целью данного исследования было сравнение теплогидравлических характеристик наножидкостей (ЗНП-СДБС@ДВ) и (ЗНП-СООН@ДВ) в витых ленточных вставках с углами спирали 45° и 90°.Теплофизические свойства измерялись при Tin = 308 К. При этом в процессе сравнения учитывались три массовые доли, а именно (0,025 мас.%, 0,05 мас.% и 0,1 мас.%).Перенос сдвигового напряжения в трехмерной модели турбулентного течения (SST k-ω) используется для решения теплогидравлических характеристик.Таким образом, данное исследование вносит существенный вклад в изучение положительных свойств (теплопередача) и отрицательных свойств (перепад давления при трении), демонстрируя теплогидравлические характеристики и оптимизацию реальных рабочих тел в подобных технических системах.
Базовая конфигурация – гладкая труба (L=900 мм и Dh=20 мм).Размеры вставленной витой ленты (длина = 20 мм, толщина = 0,5 мм, профиль = 30 мм).При этом длина, ширина и ход спирального профиля составляли 20 мм, 0,5 мм и 30 мм соответственно.Скрученные ленты наклонены под углом 45° и 90°.Различные рабочие жидкости, такие как DW, нековалентные наножидкости (GNF-SDBS@DW) и ковалентные наножидкости (GNF-COOH@DW) при Tin = 308 K, трех разных массовых концентрациях и разных числах Рейнольдса.Испытания проводились внутри теплообменника.Внешняя стенка спиральной трубки нагревалась при постоянной температуре поверхности 330 К для проверки параметров улучшения теплопередачи.
На рис.1 схематически показана трубка для введения скрученной ленты с применимыми граничными условиями и площадью сетки.Как упоминалось ранее, граничные условия скорости и давления применяются к входной и выходной частям спирали.При постоянной температуре поверхности на стенку трубы накладывается условие нескользкости.Текущее численное моделирование использует решение на основе давления.При этом используется программа (ANSYS FLUENT 2020R1) для преобразования уравнения в частных производных (УЧП) в систему алгебраических уравнений с использованием метода конечных объемов (МКМ).Метод SIMPLE второго порядка (полунеявный метод для последовательных уравнений, зависящих от давления) связан со скоростью-давлением.Следует подчеркнуть, что сходимость невязок для уравнений массы, импульса и энергии меньше 103 и 106 соответственно.
p Схема физических и расчетных областей: (a) угол спирали 90°, (b) угол спирали 45°, (c) спиральная лопасть отсутствует.
Гомогенная модель используется для объяснения свойств наножидкостей.Путем включения наноматериалов в базовую жидкость (DW) образуется непрерывная жидкость с превосходными термическими свойствами.В связи с этим температура и скорость базовой жидкости и наноматериала имеют одинаковое значение.Благодаря изложенным выше теориям и предположениям в данном исследовании работает эффективный однофазный поток.Несколько исследований продемонстрировали эффективность и применимость однофазных методов наножидкостного потока31,32.
Течение наножидкостей должно быть ньютоновским турбулентным, несжимаемым и стационарным.Работа сжатия и вязкий нагрев в данном исследовании не имеют значения.Кроме того, не учитывается толщина внутренней и наружной стенок трубы.Следовательно, уравнения сохранения массы, импульса и энергии, определяющие тепловую модель, можно выразить следующим образом:
где \(\overrightarrow{V}\) — вектор средней скорости, Keff = K + Kt — эффективная теплопроводность ковалентных и нековалентных наножидкостей, а ε — скорость диссипации энергии.Эффективные теплофизические свойства наножидкостей, в том числе плотность (ρ), вязкость (μ), удельная теплоемкость (Cp) и теплопроводность (k), представленные в таблице, измерены в ходе экспериментального исследования при температуре 308 К1 при использовании в этих симуляторах.
Численное моделирование турбулентного течения наножидкости в обычных и ТТ-трубках было выполнено при числах Рейнольдса 7000 ≤ Re ≤ 17000. Эти моделирования и коэффициенты конвективной теплопередачи были проанализированы с использованием κ-ω турбулентной модели переноса сдвигового напряжения (SST) Ментора, усредненной по турбулентности Рейнольдса. модель Навье-Стокса, широко используемая в аэродинамических исследованиях.Кроме того, модель работает без функции стены и точна вблизи стен 35,36.(SST) κ-ω основные уравнения модели турбулентности следующие:
где \(S\) — значение скорости деформации, \(y\) — расстояние до прилегающей поверхности.Между тем, \({\alpha}_{1}\), \({\alpha}_{2}\), \({\beta}_{1}\), \({\beta}_{ 2 }\), \({\beta}^{*}\), \({\sigma}_{{k}_{1}}\), \({\sigma}_{{k}_{ 2 }}\), \({\sigma}_{{\omega}_{1}}\) и \({\sigma}_{{\omega}_{2}}\) обозначают все константы модели.F1 и F2 — смешанные функции.Примечание: F1 = 1 в пограничном слое, 0 в набегающем потоке.
Параметры оценки производительности используются для изучения турбулентного конвективного теплопереноса, ковалентного и нековалентного течения наножидкостей, например31:
В этом контексте (\(\rho\)), (\(v\)), (\({D}_{h}\)) и (\(\mu\)) используются для плотности, скорости жидкости. , гидравлический диаметр и динамическая вязкость.(\({C}_{p}\, \mathrm{u}\, k\)) – удельная теплоемкость и теплопроводность текущей жидкости.Кроме того, (\(\dot{m}\)) относится к массовому расходу, а (\({T}_{out}-{T}_{in}\)) относится к разнице температур на входе и выходе.(NF) относится к ковалентным и нековалентным наножидкостям, а (DW) относится к дистиллированной воде (базовой жидкости).\({A}_{s} = \pi DL\), \({\overline{T}}_{f}=\frac{\left({T}_{out}-{T}_{in }\right)}{2}\) и \({\overline{T}}_{w}=\sum \frac{{T}_{w}}{n}\).
Теплофизические свойства базовой жидкости (DW), нековалентной наножидкости (GNF-SDBS@DW) и ковалентной наножидкости (GNF-COOH@DW) взяты из опубликованной литературы (экспериментальные исследования), Sn = 308 К, как показано в Таблице 134. В типичном эксперименте по получению нековалентной (GNP-SDBS@DW) наножидкости с известными массовыми процентами определенные граммы первичных ВНП первоначально взвешивались на цифровых весах.Весовое соотношение SDBS/родного ВНП составляет (0,5:1), взвешенное в DW.В данном случае ковалентные наножидкости (COOH-GNP@DW) были синтезированы путем добавления карбоксильных групп к поверхности ЗНЧ в сильнокислой среде с объемным соотношением (1:3) HNO3 и H2SO4.Ковалентные и нековалентные наножидкости суспендировали в DW в трех различных массовых процентах, таких как 0,025% масс., 0,05% масс.и 0,1% масс.
Тесты независимости сетки были проведены в четырех различных вычислительных областях, чтобы гарантировать, что размер сетки не влияет на моделирование.Для торсионной трубы с углом 45° количество единиц с размером 1,75 мм составляет 249 033, количество единиц с размером 2 мм составляет 307 969, количество единиц с размером 2,25 мм составляет 421 406, а количество единиц с размером блока 2,5 мм 564 940 соответственно.Кроме того, на примере скрученной под 90° трубы количество элементов с размером элемента 1,75 мм составляет 245 531, количество элементов с размером элемента 2 мм составляет 311 584, количество элементов с размером элемента 2,25 мм составляет 422 708, а количество элементов с размером элемента 2,5 мм соответственно 573 826.Точность показаний тепловых свойств, таких как (Tout, htc и Nuavg), увеличивается по мере уменьшения количества элементов.В то же время точность значений коэффициента трения и перепада давления показала совершенно иное поведение (рис. 2).Сетка (2) использовалась в качестве основной области сетки для оценки теплогидравлических характеристик в моделируемом случае.
Тестирование характеристик теплопередачи и падения давления независимо от сетки с использованием пар трубок DW, скрученных под углами 45° и 90°.
Настоящие численные результаты были подтверждены в отношении характеристик теплопередачи и коэффициента трения с использованием хорошо известных эмпирических корреляций и уравнений, таких как Диттус-Бельтер, Петухов, Гнелинский, Ноттер-Роуз и Блазиус.Сравнение проводилось при условии 7000≤Re≤17000.Согласно рис.3 средняя и максимальная погрешности между результатами моделирования и уравнением теплопередачи составляют 4,050 и 5,490 % (Диттус-Бельтер), 9,736 и 11,33 % (Петухов), 4,007 и 7,483 % (Гнелинский), 3,883 % и 4,937 % ( Нотт-Белтер).Роза).При этом средняя и максимальная погрешности между результатами моделирования и уравнением коэффициента трения составляют 7,346% и 8,039% (Блазиус) и 8,117% и 9,002% (Петухов) соответственно.
Теплообмен и гидродинамические свойства ДС при различных числах Рейнольдса с использованием численных расчетов и эмпирических корреляций.
В этом разделе обсуждаются термические свойства нековалентных (LNP-SDBS) и ковалентных (LNP-COOH) водных наножидкостей с тремя различными массовыми долями и числами Рейнольдса как средние значения по отношению к базовой жидкости (DW).Обсуждаются две геометрии спиральных ленточных теплообменников (угол спирали 45° и 90°) для 7000 ≤ Re ≤ 17000. На рис.4 показана средняя температура на выходе наножидкости в базовую жидкость (ДВ) (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{ DW } } \)) при (0,025% мас., 0,05% мас. и 0,1% мас.).(\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) всегда меньше 1, что означает, что температура на выходе Нековалентные (ВНП-СДБС) и ковалентные (ВНП-СООН) наножидкости находятся ниже температуры на выходе базовой жидкости.Самое низкое и самое высокое снижение составило 0,1 мас.%-COOH@GNPs и 0,1 мас.%-SDBS@GNPs соответственно.Это явление связано с увеличением числа Рейнольдса при постоянной массовой доле, что приводит к изменению свойств наножидкости (то есть плотности и динамической вязкости).
На рисунках 5 и 6 показаны средние характеристики теплопередачи наножидкости к базовой жидкости (DW) при (0,025 мас.%, 0,05 мас.% и 0,1 мас.%).Средние свойства теплопередачи всегда больше 1, что означает, что свойства теплопередачи нековалентных (LNP-SDBS) и ковалентных (LNP-COOH) наножидкостей улучшены по сравнению с базовой жидкостью.0,1 мас.%-COOH@GNP и 0,1 мас.%-SDBS@GNPs достигли самого низкого и самого высокого прироста соответственно.Когда число Рейнольдса увеличивается из-за большего перемешивания жидкости и турбулентности в трубе 1, характеристики теплопередачи улучшаются.Жидкости через небольшие зазоры достигают более высоких скоростей, что приводит к более тонкому пограничному слою скорости и тепла, что увеличивает скорость теплопередачи.Добавление большего количества наночастиц в базовую жидкость может иметь как положительные, так и отрицательные результаты.Положительные эффекты включают увеличение количества столкновений наночастиц, благоприятные требования к теплопроводности жидкости и улучшенную теплопередачу.
Коэффициент теплопередачи наножидкости к базовой жидкости в зависимости от числа Рейнольдса для трубок 45° и 90°.
При этом отрицательным эффектом является увеличение динамической вязкости наножидкости, что снижает подвижность наножидкости, тем самым уменьшая среднее число Нуссельта (Nuavg).Повышенная теплопроводность наножидкостей (ZNP-SDBS@DW) и (ZNP-COOH@DW) должна быть обусловлена броуновским движением и микроконвекцией наночастиц графена, взвешенных в DW37.Теплопроводность наножидкости (ZNP-COOH@DV) выше, чем у наножидкости (ZNP-SDBS@DV) и дистиллированной воды.Добавление большего количества наноматериалов в базовую жидкость увеличивает их теплопроводность (таблица 1)38.
На рисунке 7 показан средний коэффициент трения наножидкостей с базовой жидкостью (ДВ) (f(NFs)/f(DW)) в массовых процентах (0,025%, 0,05% и 0,1%).Средний коэффициент трения всегда равен ≈1, что означает, что нековалентные (GNF-SDBS@DW) и ковалентные (GNF-COOH@DW) наножидкости имеют тот же коэффициент трения, что и базовая жидкость.Теплообменник с меньшим пространством создает больше препятствий потоку и увеличивает трение потока1.В принципе, коэффициент трения незначительно увеличивается с увеличением массовой доли наножидкости.Более высокие потери на трение вызваны повышенной динамической вязкостью наножидкости и повышенным напряжением сдвига на поверхности при более высоком массовом проценте нанографена в базовой жидкости.Из таблицы (1) видно, что динамическая вязкость наножидкости (ZNP-SDBS@DV) выше, чем у наножидкости (ZNP-COOH@DV) при том же массовом проценте, что связано с добавлением поверхностных эффектов.активные вещества на нековалентной наножидкости.
На рис.8 показано сравнение наножидкости с базовой жидкостью (DW) (\(\frac{{\Delta P}_{NFs}}{{\Delta P}_{DW}}\)) при (0,025%, 0,05% и 0,1%). ).Нековалентная (GNPs-SDBS@DW) наножидкость показала более высокую среднюю потерю давления, а при увеличении массового процента до 2,04% для 0,025% мас., 2,46% для 0,05% мас.и 3,44% для 0,1% мас.с увеличением корпуса (угол спирали 45° и 90°).Между тем, наножидкость (GNPs-COOH@DW) показала более низкую среднюю потерю давления, увеличившись с 1,31% до 0,025% мас.до 1,65% при 0,05% мас.Средняя потеря давления для 0,05 мас.%-COOH@NP и 0,1 мас.%-COOH@NP составляет 1,65%.Как видно, перепад давления увеличивается с увеличением числа Re во всех случаях.На повышенный перепад давления при высоких значениях Re указывает прямая зависимость от объемного расхода.Следовательно, большее число Re в трубке приводит к большему перепаду давления, что требует увеличения мощности насоса39,40.Кроме того, потери давления выше из-за более высокой интенсивности вихрей и турбулентности, создаваемых большей площадью поверхности, что увеличивает взаимодействие давления и сил инерции в пограничном слое1.
В целом критерии оценки эффективности (PEC) для нековалентных (VNP-SDBS@DW) и ковалентных (VNP-COOH@DW) наножидкостей показаны на рис.9. Нанофлюид (ZNP-SDBS@DV) показал более высокие значения ПЭК, чем (ZNP-COOH@DV) в обоих случаях (угол спирали 45° и 90°) и был улучшен за счет увеличения массовой доли, например, 0,025. мас.%.составляет 1,17, 0,05 мас.% составляет 1,19 и 0,1 мас.% составляет 1,26.Между тем, значения PEC с использованием наножидкостей (GNPs-COOH@DW) составили 1,02 для 0,025% масс., 1,05 для 0,05% масс., 1,05 для 0,1% масс.в обоих случаях (угол спирали 45° и 90°).1.02.Как правило, с увеличением числа Рейнольдса теплогидравлический КПД существенно снижается.С увеличением числа Рейнольдса уменьшение коэффициента теплогидравлического КПД систематически связано с увеличением (NuNFs/NuDW) и уменьшением (fNFs/fDW).
Гидротермические свойства наножидкостей по отношению к базовым жидкостям в зависимости от чисел Рейнольдса для трубок с углами 45° и 90°.
В этом разделе обсуждаются термические свойства воды (DW), нековалентных (VNP-SDBS@DW) и ковалентных (VNP-COOH@DW) наножидкостей при трех различных массовых концентрациях и числах Рейнольдса.Для оценки средних теплогидравлических характеристик рассматривались две геометрии теплообменника со спиральным ремнем в диапазоне 7000 ≤ Re ≤ 17000 по сравнению с обычными трубами (углы спирали 45° и 90°).На рис.10 показана температура воды и наножидкостей на выходе в среднем по (углу спирали 45° и 90°) для обычной трубы (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{ {T} _{out}}_{Обычный}}\)).Нековалентные (GNP-SDBS@DW) и ковалентные (GNP-COOH@DW) наножидкости имеют три разные весовые доли, такие как 0,025% масс., 0,05% масс. и 0,1%.Как показано на рис.11, среднее значение температуры на выходе (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{{T}_{out}}_{Plain}}\)) > 1, что указывает на то, что (угол спирали 45° и 90°) температура на выходе теплообменника более значительна, чем у обычной трубы, за счет большей интенсивности турбулентности и лучшего перемешивания жидкости.Кроме того, температура на выходе из ДВ, нековалентных и ковалентных наножидкостей снижалась с увеличением числа Рейнольдса.Базовая жидкость (DW) имеет самую высокую среднюю температуру на выходе.Между тем, самое низкое значение относится к 0,1 мас.%-SDBS@GNP.Нековалентные (GNPs-SDBS@DW) наножидкости показали более низкую среднюю температуру на выходе по сравнению с ковалентными (GNPs-COOH@DW) наножидкостями.Поскольку скрученная лента делает поле течения более смешанным, пристеночный тепловой поток может легче проходить через жидкость, повышая общую температуру.Более низкое соотношение скручивания к ленте приводит к лучшему проникновению и, следовательно, к лучшей теплопередаче.С другой стороны, видно, что свернутая лента удерживает меньшую температуру у стены, что, в свою очередь, увеличивает Нуавг.Для вставок из витой ленты более высокое значение Nuavg указывает на улучшенную конвективную теплопередачу внутри трубки22.Из-за увеличения пути потока, а также дополнительного перемешивания и турбулентности время пребывания увеличивается, что приводит к увеличению температуры жидкости на выходе41.
Числа Рейнольдса различных наножидкостей относительно температуры на выходе обычных трубок (углы спирали 45° и 90°).
Коэффициенты теплопередачи (угол спирали 45° и 90°) в зависимости от чисел Рейнольдса для различных наножидкостей по сравнению с обычными трубками.
Основной механизм усиления теплопередачи витой ленты заключается в следующем: 1. Уменьшение гидравлического диаметра теплообменной трубки приводит к увеличению скорости потока и кривизны, что, в свою очередь, увеличивает напряжение сдвига у стенки и способствует вторичному движению.2. Из-за засора намоточной ленты скорость у стенки трубы увеличивается, а толщина пограничного слоя уменьшается.3. Спиральное течение за перекрученным ремнем приводит к увеличению скорости.4. Индуцированные вихри улучшают перемешивание жидкости между центральной и пристеночной областями потока42.На рис.11 и рис.12 показаны свойства теплопередачи DW и наножидкостей, например (коэффициент теплопередачи и среднее число Нуссельта) в виде средних значений при использовании вставных трубок из скрученной ленты по сравнению с обычными трубками.Нековалентные (GNP-SDBS@DW) и ковалентные (GNP-COOH@DW) наножидкости имеют три разные весовые доли, такие как 0,025% масс., 0,05% масс. и 0,1%.В обоих теплообменниках (угол спирали 45° и 90°) средняя эффективность теплопередачи составляет >1, что указывает на улучшение коэффициента теплопередачи и среднего числа Нуссельта со спиральными трубками по сравнению с обычными трубками.Нековалентные (GNPs-SDBS@DW) наножидкости показали более высокое среднее улучшение теплопередачи, чем ковалентные (GNPs-COOH@DW) наножидкости.При Re = 900 улучшение показателей теплопередачи -SDBS@GNPs на 0,1% по массе для двух теплообменников (угол спирали 45° и 90°) было самым высоким со значением 1,90.Это означает, что эффект равномерного ТП более важен при более низких скоростях жидкости (числе Рейнольдса)43 и увеличении интенсивности турбулентности.Из-за введения множественных вихрей коэффициент теплопередачи и среднее число Нуссельта у трубок TT выше, чем у обычных трубок, что приводит к более тонкому пограничному слою.Увеличивает ли наличие ВД интенсивность завихрения, перемешивания потоков рабочей жидкости и усиление теплоотдачи по сравнению с базовыми трубами (без вставки скрученной-скрученной ленты)21.
Среднее число Нуссельта (угол спирали 45° и 90°) в зависимости от числа Рейнольдса для различных наножидкостей по сравнению с обычными трубками.
На рисунках 13 и 14 показаны средние коэффициенты трения (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain}}\)) и потери давления (\(\frac{{\Delta P}) _ {Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\}} около 45° и 90° для обычных труб с использованием наножидкостей DW, (GNPs-SDBS@DW) и (GNPs-COOH@DW) ионообменник содержит ( 0,025 мас.%, 0,05 мас.% и 0,1 мас.%). }_{Plain}}\}) уменьшаются. Коэффициент трения и потеря давления выше при меньших числах Рейнольдса. Средний коэффициент трения и потеря давления находятся между 3,78 и 3,12. Средний коэффициент трения и потеря давления показывают, что (спираль 45° угол и 90°) стоимость теплообменника в три раза выше, чем у обычных труб.Кроме того, при движении рабочей жидкости с большей скоростью коэффициент трения снижается.Проблема возникает потому, что с увеличением числа Рейнольдса толщина пограничного слоя уменьшается, что приводит к уменьшению воздействия динамической вязкости на зону поражения, уменьшению градиентов скорости и сдвиговых напряжений и, как следствие, уменьшению коэффициента трения21.Улучшенный эффект блокировки благодаря наличию ТТ и усиленному завихрению приводит к значительно более высоким потерям давления для гетерогенных труб ТТ, чем для базовых труб.Кроме того, как для базовой трубы, так и для трубы ТТ видно, что падение давления увеличивается со скоростью рабочей жидкости43.
Коэффициент трения (угол спирали 45° и 90°) в зависимости от числа Рейнольдса для различных наножидкостей по сравнению с обычными трубками.
Потеря давления (угол спирали 45° и 90°) как функция числа Рейнольдса для различных наножидкостей по сравнению с обычной трубкой.
Таким образом, на рисунке 15 показаны критерии оценки производительности (PEC) для теплообменников с углами 45° и 90° по сравнению с простыми трубками (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}} \ ) ) в (0,025 мас.%, 0,05 мас.% и 0,1 мас.%) с использованием ДВ, (ВНП-СДБС@ДВ) и ковалентных (ВНП-СООН@ДВ) наножидкостей.Значение (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) > 1 в обоих случаях (угол спирали 45° и 90°) в теплообменнике.Кроме того, (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) достигает наилучшего значения при Re = 11 000.Теплообменник с углом 90° демонстрирует небольшое увеличение (\ (\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) по сравнению с теплообменником с углом 45°., При Re = 11 000 0,1 мас.%-ВНП @SDBS представляет более высокие значения (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) значения, например 1,25 для угла теплообменника 45°. и 1,27 для углового теплообменника 90°.Оно больше единицы на все проценты массовой доли, что свидетельствует о превосходстве труб с витыми ленточными вставками над обычными трубами.Примечательно, что улучшенная теплопередача, обеспечиваемая ленточными вставками, привела к значительному увеличению потерь на трение22.
Критерии эффективности числа Рейнольдса различных наножидкостей по отношению к обычным трубкам (угол спирали 45° и 90°).
В Приложении A показаны линии оптимизации для теплообменников 45° и 90° при Re = 7000 с использованием DW, 0,1 мас.%-GNP-SDBS@DW и 0,1 мас.%-GNP-COOH@DW.Линии тока в поперечной плоскости являются наиболее яркой чертой влияния витых ленточных вставок на основное течение.Использование теплообменников 45° и 90° показывает, что скорость в пристеночной области примерно одинакова.Между тем, в Приложении B показаны контуры скорости для теплообменников 45° и 90° при Re = 7000 с использованием DW, 0,1 мас.%-GNP-SDBS@DW и 0,1 мас.%-GNP-COOH@DW.Контуры скорости находятся в трех разных местах (срезах), например, Plain-1 (P1 = −30 мм), Plain-4 (P4 = 60 мм) и Plain-7 (P7 = 150 мм).Скорость потока вблизи стенки трубы минимальна, а скорость жидкости увеличивается к центру трубы.Кроме того, при прохождении воздуховода увеличивается область малых скоростей у стены.Это связано с ростом гидродинамического пограничного слоя, который увеличивает толщину низкоскоростной области вблизи стенки.Кроме того, увеличение числа Рейнольдса увеличивает общий уровень скорости во всех сечениях, тем самым уменьшая толщину области низких скоростей в канале39.
Ковалентно и нековалентно функционализированные графеновые нанолисты оценивались во вставках из скрученной ленты с углами спирали 45° и 90°.Теплообменник численно решен с использованием модели турбулентности SST k-omega при 7000 ≤ Re ≤ 17000. Теплофизические свойства рассчитаны при Tin = 308 К. Одновременно нагрейте стенку скрученной трубы при постоянной температуре 330 К. COOH@DV) разбавляли, например, в трех массовых количествах (0,025 мас.%, 0,05 мас.% и 0,1 мас.%).В текущем исследовании учитывались шесть основных факторов: температура на выходе, коэффициент теплопередачи, среднее число Нуссельта, коэффициент трения, потеря давления и критерии оценки производительности.Вот основные выводы:
Средняя температура на выходе (\({{T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) всегда меньше 1, что означает, что нерастекающаяся Температура на выходе валентных (ZNP-SDBS@DV) и ковалентных (ZNP-COOH@DV) наножидкостей ниже, чем у базовой жидкости.Между тем, средняя температура на выходе (\({{T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\)) значение > 1, что указывает на тот факт, что (угол спирали 45° и 90°) температура на выходе выше, чем у обычных трубок.
В обоих случаях средние значения свойств теплопередачи (наножидкость/базовая жидкость) и (витая трубка/обычная трубка) всегда показывают >1.Нековалентные (GNPs-SDBS@DW) наножидкости показали более высокое среднее увеличение теплопередачи, что соответствует ковалентным (GNPs-COOH@DW) наножидкостям.
Средний коэффициент трения (\({f}_{Nanofluids}/{f}_{Basefluid}\)) нековалентных (VNP-SDBS@DW) и ковалентных (VNP-COOH@DW) наножидкостей всегда ≈1. .трение нековалентных (ZNP-SDBS@DV) и ковалентных (ZNP-COOH@DV) наножидкостей (\({f}_{Twisted}/{f}_{Plain}\)) для всегда > 3.
В обоих случаях (угол спирали 45° и 90°) наножидкости (GNPs-SDBS@DW) показали более высокие (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) 0,025 мас.% для 2,04%, 0,05 мас.% для 2,46% и 0,1 мас.% для 3,44%.Между тем, наножидкости (GNPs-COOH@DW) показали более низкие значения (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) от 1,31% для 0,025 мас.% до 1,65% для 0,05. % по весу.Кроме того, средняя потеря давления (\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\) нековалентных (GNPs-SDBS@DW) и ковалентных (GNPs-COOH@DW) ))) наножидкости всегда >3.
В обоих случаях (углы спирали 45° и 90°) наножидкости (GNPs-SDBS@DW) показали более высокое (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC} _{Basefluid}\)) значение @DW) , например 0,025 мас.% - 1,17, 0,05 мас.% - 1,19, 0,1 мас.% - 1,26.В этом случае значения (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\)) с использованием наножидкостей (GNPs-COOH@DW) составляют 1,02 для 0,025 мас.%, 1,05 для 0 , 05 вес.% и 1,02 составляет 0,1% по массе.Кроме того, при Re = 11 000 0,1 мас.%-GNPs@SDBS показали более высокие значения (\({PEC}_{Twisted}/{PEC}_{Plain}\)), например 1,25 для угла спирали 45°. и угол спирали 90° 1,27.
Тианпонг, К. и др.Многоцелевая оптимизация потока наножидкости диоксида титана/воды в теплообменнике, усиленная вставками из витой ленты с треугольными крыльями.внутренний Дж. Хот.наука.172, 107318 (2022).
Лангеруди, Х.Г. и Джаверде, К. Экспериментальное исследование течения неньютоновской жидкости в сильфонах, вставленных с помощью типичных и V-образных скрученных лент.Тепло и массоперенос 55, 937–951 (2019).
Донг, X. и др.Экспериментальное исследование характеристик теплопередачи и гидравлического сопротивления спирально-скрученного трубчатого теплообменника [J].Температура нанесения.проект.176, 115397 (2020).
Йонгсири К., Эйамса-Ард П., Вонгчари К. и Эйамса-Ард SJCS Улучшение теплопередачи в турбулентном потоке в канале с наклонными разделительными ребрами.тематические исследования.температура.проект.3, 1–10 (2014).
Время публикации: 17 марта 2023 г.