Chemische Komponente für Spiralrohre aus Edelstahl 304, Thermodynamische Analyse kovalent und nichtkovalent funktionalisierter Graphen-Nanoblätter in Rundrohren, die mit Turbulatoren ausgestattet sind

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304 10*1mm Edelstahl-Spiralrohr in China

Größe: 3/4 Zoll, 1/2 Zoll, 1 Zoll, 3 Zoll, 2 Zoll

Länge des Einheitsrohrs: 6 Meter

Stahlsorte: 201, 304 UND 316

Sorte: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,

Material: Edelstahl

Artikelzustand: Neu

Edelstahlrohrspule

 

Größe: 3/4 Zoll, 1/2 Zoll, 1 Zoll, 3 Zoll, 2 Zoll

Länge des Einheitsrohrs: 6 Meter

Stahlsorte: 201, 304 UND 316

Sorte: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,

Material: Edelstahl

Artikelzustand: Neu

Kovalente und nichtkovalente Nanoflüssigkeiten wurden in Rundrohren getestet, die mit gedrehten Bandeinsätzen mit Helixwinkeln von 45° und 90° ausgestattet waren.Die Reynolds-Zahl betrug 7000 ≤ Re ≤ 17000, die thermophysikalischen Eigenschaften wurden bei 308 K bewertet. Das physikalische Modell wird numerisch unter Verwendung eines Zwei-Parameter-Turbulenzviskositätsmodells (SST k-Omega-Turbulenz) gelöst.In der Arbeit wurden die Konzentrationen (0,025 Gew.-%, 0,05 Gew.-% und 0,1 Gew.-%) der Nanofluide ZNP-SDBS@DV und ZNP-COOH@DV berücksichtigt.Die Wände der verdrillten Rohre werden auf eine konstante Temperatur von 330 K erhitzt. In der aktuellen Studie wurden sechs Parameter berücksichtigt: Auslasstemperatur, Wärmeübergangskoeffizient, durchschnittliche Nusselt-Zahl, Reibungskoeffizient, Druckverlust und Leistungsbewertungskriterien.In beiden Fällen (Helixwinkel von 45° und 90°) zeigte das ZNP-SDBS@DV-Nanofluid bessere thermisch-hydraulische Eigenschaften als ZNP-COOH@DV und nahm mit zunehmendem Massenanteil zu, beispielsweise 0,025 Gew.-%.und 0,05 Gew.ist 1,19.% und 1,26 – 0,1 Gew.-%.In beiden Fällen (Helixwinkel 45° und 90°) betragen die Werte der thermodynamischen Eigenschaften bei Verwendung von GNP-COOH@DW 1,02 für 0,025 Gew.-% und 1,05 für 0,05 Gew.-%.und 1,02 für 0,1 Gew.-%.
Der Wärmetauscher ist ein thermodynamisches Gerät 1, das zur Wärmeübertragung bei Kühl- und Heizvorgängen dient.Die thermisch-hydraulischen Eigenschaften des Wärmetauschers verbessern den Wärmeübergangskoeffizienten und verringern den Widerstand des Arbeitsmediums.Zur Verbesserung der Wärmeübertragung wurden mehrere Methoden entwickelt, darunter Turbulenzverstärker2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 und Nanofluide12,13,14,15.Das Einbringen von gedrehten Bändern ist aufgrund seiner Wartungsfreundlichkeit und geringen Kosten eine der erfolgreichsten Methoden zur Verbesserung der Wärmeübertragung in Wärmetauschern7,16.
In einer Reihe experimenteller und rechnerischer Studien wurden die hydrothermischen Eigenschaften von Mischungen aus Nanofluiden und Wärmetauschern mit Twisted-Tape-Einsätzen untersucht.In einer experimentellen Arbeit wurden die hydrothermischen Eigenschaften von drei verschiedenen metallischen Nanofluiden (Ag@DW, Fe@DW und Cu@DW) in einem Nadel-Twisted-Tape-Wärmetauscher (STT) untersucht17.Im Vergleich zum Basisrohr ist der Wärmeübergangskoeffizient von STT um 11 % bzw. 67 % verbessert.Das SST-Layout ist aus ökonomischer Sicht hinsichtlich der Effizienz mit dem Parameter α = β = 0,33 das beste.Darüber hinaus wurde mit Ag@DW ein Anstieg von n um 18,2 % beobachtet, obwohl der maximale Anstieg des Druckverlusts nur 8,5 % betrug.Die physikalischen Prozesse der Wärmeübertragung und des Druckverlusts in konzentrischen Rohren mit und ohne spiralförmigen Turbulatoren wurden mithilfe turbulenter Strömungen von Al2O3@DW-Nanofluiden mit erzwungener Konvektion untersucht.Die maximale durchschnittliche Nusselt-Zahl (Nuavg) und der maximale Druckverlust werden bei Re = 20.000 beobachtet, wenn der Spulenabstand = 25 mm und Al2O3@DW-Nanofluid 1,6 Vol.-% beträgt.Es wurden auch Laborstudien durchgeführt, um die Wärmeübertragungs- und Druckverlusteigenschaften von Graphenoxid-Nanofluiden (GO@DW) zu untersuchen, die durch nahezu kreisförmige Rohre mit WC-Einsätzen strömen.Die Ergebnisse zeigten, dass 0,12 Vol.-%-GO@DW den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten um etwa 77 % erhöhten.In einer weiteren experimentellen Studie wurden Nanoflüssigkeiten (TiO2@DW) entwickelt, um die thermisch-hydraulischen Eigenschaften von Noppenrohren zu untersuchen, die mit gedrehten Bandeinsätzen ausgestattet sind20.Der maximale hydrothermale Wirkungsgrad von 1,258 wurde mit 0,15 Vol.-% TiO2@DW erreicht, eingebettet in 45° geneigte Schäfte mit einem Verdrehungsfaktor von 3,0.Einphasige und zweiphasige (hybride) Simulationsmodelle berücksichtigen die Strömung und Wärmeübertragung von CuO@DW-Nanofluiden bei verschiedenen Feststoffkonzentrationen (1–4 % Vol.%)21.Der maximale thermische Wirkungsgrad eines Rohrs, das mit einem verdrillten Band eingesetzt wird, beträgt 2,18, und eines Rohrs, das mit zwei verdrillten Bändern unter den gleichen Bedingungen eingesetzt wird, beträgt 2,04 (Zweiphasenmodell, Re = 36.000 und 4 Vol.-%).Der nicht-Newtonsche turbulente Nanofluidfluss von Carboxymethylcellulose (CMC) und Kupferoxid (CuO) in Hauptrohren und Rohren mit verdrillten Einsätzen wurde untersucht.Nuavg zeigt eine Verbesserung von 16,1 % (für die Hauptpipeline) und 60 % (für die Spiralpipeline mit einem Verhältnis von (H/D = 5)).Im Allgemeinen führt ein niedrigeres Verhältnis von Drehung zu Band zu einem höheren Reibungskoeffizienten.In einer experimentellen Studie wurde der Einfluss von Rohren mit verdrilltem Band (TT) und Spulen (VC) auf die Eigenschaften der Wärmeübertragung und den Reibungskoeffizienten mithilfe von CuO@DW-Nanofluiden untersucht.Mit 0,3 Vol.%-CuO@DW bei Re = 20.000 ermöglicht es, den Wärmeübergang im VK-2-Rohr auf einen Maximalwert von 44,45 % zu steigern.Darüber hinaus erhöht sich bei Verwendung eines Twisted-Pair-Kabels und eines Spuleneinsatzes unter gleichen Randbedingungen der Reibungskoeffizient um den Faktor 1,17 bzw. 1,19 im Vergleich zu DW.Im Allgemeinen ist die thermische Effizienz von in Spulen eingesetzten Nanoflüssigkeiten besser als die von in Litzendrähten eingesetzten Nanoflüssigkeiten.Die volumetrische Charakteristik einer turbulenten (MWCNT@DW) Nanofluidströmung wurde in einem horizontalen Rohr untersucht, das in einen Spiraldraht eingeführt war.Die thermischen Leistungsparameter waren in allen Fällen > 1, was darauf hindeutet, dass die Kombination von Nanofluidik mit dem Spuleneinsatz die Wärmeübertragung verbessert, ohne Pumpenleistung zu verbrauchen.Zusammenfassung – Die hydrothermischen Eigenschaften eines Zweirohr-Wärmetauschers mit verschiedenen Einsätzen aus einem modifizierten verdrillten V-förmigen Band (VcTT) wurden unter Bedingungen einer turbulenten Strömung des Al2O3 + TiO2@DW-Nanofluids untersucht.Im Vergleich zu DW in Basisrohren weist Nuavg eine deutliche Verbesserung von 132 % und einen Reibungskoeffizienten von bis zu 55 % auf.Darüber hinaus wurde die Energieeffizienz des Al2O3+TiO2@DW-Nanokomposits in einem Zweirohr-Wärmetauscher26 diskutiert.In ihrer Studie stellten sie fest, dass die Verwendung von Al2O3 + TiO2@DW und TT die Exergieeffizienz im Vergleich zu DW verbesserte.In konzentrischen Rohrwärmetauschern mit VcTT-Turbulatoren verwendeten Singh und Sarkar27 Phasenwechselmaterialien (PCM), dispergierte Einzel-/Nanokomposit-Nanofluide (Al2O3@DW mit PCM und Al2O3 + PCM).Sie berichteten, dass Wärmeübertragung und Druckverlust zunehmen, wenn der Verdrillungskoeffizient abnimmt und die Nanopartikelkonzentration zunimmt.Ein größerer Tiefenfaktor der V-Kerbe oder ein kleinerer Breitenfaktor können eine größere Wärmeübertragung und einen größeren Druckverlust bewirken.Darüber hinaus wurde Graphen-Platin (Gr-Pt) verwendet, um Wärme, Reibung und die Gesamtentropieerzeugungsrate in Röhren mit 2-TT28-Einsätzen zu untersuchen.Ihre Studie zeigte, dass ein geringerer Anteil an (Gr-Pt) die Erzeugung von Wärmeentropie im Vergleich zu einer relativ höheren Entwicklung von Reibungsentropie deutlich reduzierte.Gemischte Al2O3@MgO-Nanofluide und konisches WC können als gute Mischung angesehen werden, da ein erhöhtes Verhältnis (h/Δp) die hydrothermale Leistung eines Zweirohrwärmetauschers verbessern kann 29 .Ein numerisches Modell wird verwendet, um die Energieeinsparung und Umweltleistung von Wärmetauschern mit verschiedenen dreiteiligen Hybrid-Nanofluiden (THNF) (Al2O3 + Graphen + MWCNT) zu bewerten, die in DW30 suspendiert sind.Aufgrund seiner Leistungsbewertungskriterien (PEC) im Bereich von 1,42–2,35 ist eine Kombination aus Depressed Twisted Turbulizer Insert (DTTI) und (Al2O3 + Graphen + MWCNT) erforderlich.
Bisher wurde der Rolle der kovalenten und nichtkovalenten Funktionalisierung im hydrodynamischen Fluss in Thermoflüssigkeiten wenig Aufmerksamkeit geschenkt.Der spezifische Zweck dieser Studie bestand darin, die thermisch-hydraulischen Eigenschaften von Nanoflüssigkeiten (ZNP-SDBS@DV) und (ZNP-COOH@DV) in verdrillten Bandeinsätzen mit Helixwinkeln von 45° und 90° zu vergleichen.Die thermophysikalischen Eigenschaften wurden bei Zinn = 308 K gemessen. Dabei wurden im Vergleichsprozess drei Massenanteile berücksichtigt, beispielsweise (0,025 Gew.-%, 0,05 Gew.-% und 0,1 Gew.-%).Die Schubspannungsübertragung im 3D-Turbulenzströmungsmodell (SST k-ω) wird zur Lösung der thermisch-hydraulischen Eigenschaften genutzt.Somit leistet diese Studie einen wesentlichen Beitrag zur Untersuchung positiver Eigenschaften (Wärmeübertragung) und negativer Eigenschaften (Druckabfall bei Reibung) und demonstriert die thermohydraulischen Eigenschaften und die Optimierung realer Arbeitsflüssigkeiten in solchen technischen Systemen.
Die Grundkonfiguration ist ein Glattrohr (L = 900 mm und Dh = 20 mm).Eingelegte gedrehte Bandabmessungen (Länge = 20 mm, Dicke = 0,5 mm, Profil = 30 mm).In diesem Fall betrugen Länge, Breite und Hub des Spiralprofils 20 mm, 0,5 mm bzw. 30 mm.Die gedrehten Bänder sind um 45° und 90° geneigt.Verschiedene Arbeitsflüssigkeiten wie DW, nichtkovalente Nanoflüssigkeiten (GNF-SDBS@DW) und kovalente Nanoflüssigkeiten (GNF-COOH@DW) bei Zinn = 308 K, drei verschiedenen Massenkonzentrationen und unterschiedlichen Reynolds-Zahlen.Die Tests wurden im Wärmetauscher durchgeführt.Um die Parameter zur Verbesserung der Wärmeübertragung zu testen, wurde die Außenwand des Spiralrohrs auf eine konstante Oberflächentemperatur von 330 K erhitzt.
Auf Abb.1 zeigt schematisch ein Twisted-Tape-Einführrohr mit anwendbaren Randbedingungen und vermaschter Fläche.Wie bereits erwähnt, gelten Geschwindigkeits- und Druckrandbedingungen für die Einlass- und Auslassabschnitte der Helix.Bei konstanter Oberflächentemperatur wird der Rohrwand ein rutschfester Zustand verliehen.Die aktuelle numerische Simulation verwendet eine druckbasierte Lösung.Gleichzeitig wird mit einem Programm (ANSYS FLUENT 2020R1) eine partielle Differentialgleichung (PDE) mithilfe der Finite-Volumen-Methode (FMM) in ein System algebraischer Gleichungen umgewandelt.Die SIMPLE-Methode zweiter Ordnung (semiimplizite Methode für sequentielle druckabhängige Gleichungen) bezieht sich auf Geschwindigkeit-Druck.Es sollte betont werden, dass die Konvergenz der Residuen für die Massen-, Impuls- und Energiegleichungen weniger als 103 bzw. 106 beträgt.
p Diagramm der physikalischen und rechnerischen Bereiche: (a) Spiralwinkel 90°, (b) Spiralwinkel 45°, (c) keine spiralförmige Klinge.
Zur Erklärung der Eigenschaften von Nanofluiden wird ein homogenes Modell verwendet.Durch die Einarbeitung von Nanomaterialien in die Basisflüssigkeit (DW) entsteht eine kontinuierliche Flüssigkeit mit hervorragenden thermischen Eigenschaften.Dabei haben Temperatur und Geschwindigkeit der Grundflüssigkeit und des Nanomaterials den gleichen Wert.Aufgrund der oben genannten Theorien und Annahmen funktioniert in dieser Studie eine effiziente einphasige Strömung.Mehrere Studien haben die Wirksamkeit und Anwendbarkeit von Einphasentechniken für nanofluidische Strömungen gezeigt31,32.
Der Fluss von Nanoflüssigkeiten muss newtonsch-turbulent, inkompressibel und stationär sein.Kompressionsarbeit und viskose Erwärmung spielen in dieser Studie keine Rolle.Darüber hinaus wird die Dicke der Innen- und Außenwände des Rohres nicht berücksichtigt.Daher können die Masse-, Impuls- und Energieerhaltungsgleichungen, die das thermische Modell definieren, wie folgt ausgedrückt werden:
Dabei ist \(\overrightarrow{V}\) der mittlere Geschwindigkeitsvektor, Keff = K + Kt die effektive Wärmeleitfähigkeit kovalenter und nichtkovalenter Nanoflüssigkeiten und ε die Energiedissipationsrate.Die in der Tabelle aufgeführten effektiven thermophysikalischen Eigenschaften von Nanoflüssigkeiten, einschließlich Dichte (ρ), Viskosität (μ), spezifischer Wärmekapazität (Cp) und Wärmeleitfähigkeit (k), wurden während einer experimentellen Studie bei einer Temperatur von 308 K1 bei Verwendung gemessen in diesen Simulatoren.
Numerische Simulationen der turbulenten Nanofluidströmung in konventionellen und TT-Röhren wurden bei Reynolds-Zahlen 7000 ≤ Re ≤ 17000 durchgeführt. Diese Simulationen und konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten wurden unter Verwendung des über die Reynolds-Turbulenz gemittelten κ-ω-Turbulenzmodells der Scherspannungsübertragung (SST) von Mentor analysiert Modell Navier-Stokes, das häufig in der aerodynamischen Forschung verwendet wird.Darüber hinaus funktioniert das Modell ohne Wandfunktion und ist in der Nähe von Wänden genau 35,36.(SST) κ-ω, die die Gleichungen des Turbulenzmodells bestimmen, lauten wie folgt:
Dabei ist \(S\) der Wert der Dehnungsrate und \(y\) der Abstand zur angrenzenden Oberfläche.Inzwischen sind \({\alpha}_{1}\), \({\alpha}_{2}\), \({\beta}_{1}\), \({\beta}_{ 2 }\), \({\beta}^{*}\), \({\sigma}_{{k}_{1}}\), \({\sigma}_{{k}_{ 2 }}\), \({\sigma}_{{\omega}_{1}}\) und \({\sigma}_{{\omega}_{2}}\) bezeichnen alle Modellkonstanten.F1 und F2 sind gemischte Funktionen.Hinweis: F1 = 1 in der Grenzschicht, 0 in der Anströmung.
Leistungsbewertungsparameter werden verwendet, um turbulente konvektive Wärmeübertragung sowie kovalente und nichtkovalente Nanofluidströmungen zu untersuchen, zum Beispiel31:
In diesem Zusammenhang werden (\(\rho\)), (\(v\)), (\({D}_{h}\)) und (\(\mu\)) für Dichte und Fluidgeschwindigkeit verwendet , hydraulischer Durchmesser und dynamische Viskosität.(\({C}_{p}\, \mathrm{u}\, k\)) – spezifische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit der strömenden Flüssigkeit.Außerdem bezieht sich (\(\dot{m}\)) auf den Massenstrom und (\({T}_{out}-{T}_{in}\)) auf die Temperaturdifferenz zwischen Einlass und Auslass.(NFs) bezieht sich auf kovalente, nichtkovalente Nanoflüssigkeiten und (DW) bezieht sich auf destilliertes Wasser (Basisflüssigkeit).\({A}_{s} = \pi DL\), \({\overline{T}}_{f}=\frac{\left({T}_{out}-{T}_{in }\right)}{2}\) und \({\overline{T}}_{w}=\sum \frac{{T}_{w}}{n}\).
Die thermophysikalischen Eigenschaften der Basisflüssigkeit (DW), des nichtkovalenten Nanofluids (GNF-SDBS@DW) und des kovalenten Nanofluids (GNF-COOH@DW) wurden der veröffentlichten Literatur (experimentelle Studien) entnommen, Sn = 308 K, as in Tabelle 134 gezeigt. In einem typischen Experiment zur Gewinnung eines nichtkovalenten (GNP-SDBS@DW) Nanofluids mit bekannten Massenprozentsätzen wurden zunächst bestimmte Gramm primärer GNPs auf einer digitalen Waage gewogen.Das Gewichtsverhältnis von SDBS/nativem BSP beträgt (0,5:1) gewichtet in DW.In diesem Fall wurden kovalente (COOH-GNP@DW) Nanofluide durch Anbringen von Carboxylgruppen an der Oberfläche von GNP unter Verwendung eines stark sauren Mediums mit einem Volumenverhältnis (1:3) von HNO3 und H2SO4 synthetisiert.Kovalente und nichtkovalente Nanoflüssigkeiten wurden in DW in drei verschiedenen Gewichtsprozenten suspendiert, z. B. 0,025 Gew.-% und 0,05 Gew.-%.und 0,1 % der Masse.
In vier verschiedenen Rechenbereichen wurden Netzunabhängigkeitstests durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Netzgröße keinen Einfluss auf die Simulation hat.Im Fall eines 45°-Torsionsrohrs beträgt die Anzahl der Einheiten mit der Einheitsgröße 1,75 mm 249.033, die Anzahl der Einheiten mit der Einheitsgröße 2 mm beträgt 307.969, die Anzahl der Einheiten mit der Einheitsgröße 2,25 mm beträgt 421.406 und die Anzahl der Einheiten mit Gerätegröße 2,5 mm 564 940 bzw.Darüber hinaus beträgt im Beispiel eines um 90° gedrehten Rohrs die Anzahl der Elemente mit einer Elementgröße von 1,75 mm 245.531, die Anzahl der Elemente mit einer Elementgröße von 2 mm beträgt 311.584 und die Anzahl der Elemente mit einer Elementgröße von 2,25 mm 422.708 und die Anzahl der Elemente mit einer Elementgröße von 2,5 mm beträgt jeweils 573.826.Die Genauigkeit der Messwerte für thermische Eigenschaften wie (Tout, htc und Nuavg) nimmt mit abnehmender Anzahl der Elemente zu.Gleichzeitig zeigte die Genauigkeit der Werte von Reibungskoeffizient und Druckabfall ein völlig anderes Verhalten (Abb. 2).Gitter (2) wurde als Hauptgitterfläche zur Bewertung der thermisch-hydraulischen Eigenschaften im simulierten Fall verwendet.
Testen der Wärmeübertragungs- und Druckabfallleistung unabhängig vom Netz unter Verwendung von DW-Rohrpaaren, die um 45° und 90° verdreht sind.
Die vorliegenden numerischen Ergebnisse wurden hinsichtlich der Wärmeübertragungsleistung und des Reibungskoeffizienten unter Verwendung bekannter empirischer Korrelationen und Gleichungen wie Dittus-Belter, Petukhov, Gnelinsky, Notter-Rouse und Blasius validiert.Der Vergleich wurde unter der Bedingung 7000≤Re≤17000 durchgeführt.Gemäß Abb.3 betragen die durchschnittlichen und maximalen Fehler zwischen den Simulationsergebnissen und der Wärmeübertragungsgleichung 4,050 und 5,490 % (Dittus-Belter), 9,736 und 11,33 % (Petukhov), 4,007 und 7,483 % (Gnelinsky) und 3,883 % und 4,937 % ( Nott-Belter).Rose).In diesem Fall betragen die durchschnittlichen und maximalen Fehler zwischen den Simulationsergebnissen und der Reibungskoeffizientengleichung 7,346 % und 8,039 % (Blasius) bzw. 8,117 % und 9,002 % (Petukhov).
Wärmeübertragung und hydrodynamische Eigenschaften von DW bei verschiedenen Reynolds-Zahlen unter Verwendung numerischer Berechnungen und empirischer Korrelationen.
In diesem Abschnitt werden die thermischen Eigenschaften nichtkovalenter (LNP-SDBS) und kovalenter (LNP-COOH) wässriger Nanoflüssigkeiten bei drei verschiedenen Massenanteilen und Reynolds-Zahlen als Durchschnittswerte relativ zur Grundflüssigkeit (DW) erörtert.Für 7000 ≤ Re ≤ 17000 werden zwei Geometrien von Wendelbandwärmetauschern (Helixwinkel 45° und 90°) diskutiert.4 zeigt die durchschnittliche Temperatur am Austritt des Nanofluids in das Basisfluid (DW) (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{ DW } } \) ) bei (0,025 Gew.-%, 0,05 Gew.-% und 0,1 Gew.-%).(\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) ist immer kleiner als 1, was bedeutet, dass die Auslasstemperatur Nichtkovalente (VNP-SDBS) und kovalente (VNP-COOH) Nanoflüssigkeiten liegen unterhalb der Temperatur am Auslass der Basisflüssigkeit.Die niedrigsten und höchsten Reduzierungen betrugen 0,1 Gew.-%-COOH@GNPs bzw. 0,1 Gew.-%-SDBS@GNPs.Dieses Phänomen ist auf einen Anstieg der Reynolds-Zahl bei konstantem Massenanteil zurückzuführen, der zu einer Änderung der Eigenschaften des Nanofluids (d. h. Dichte und dynamische Viskosität) führt.
Die Abbildungen 5 und 6 zeigen die durchschnittlichen Wärmeübertragungseigenschaften von Nanofluid zu Basisflüssigkeit (DW) bei (0,025 Gew.-%, 0,05 Gew.-% und 0,1 Gew.-%).Die durchschnittlichen Wärmeübertragungseigenschaften sind immer größer als 1, was bedeutet, dass die Wärmeübertragungseigenschaften von nichtkovalenten (LNP-SDBS) und kovalenten (LNP-COOH) Nanoflüssigkeiten im Vergleich zur Basisflüssigkeit verbessert sind.0,1 Gew.-%-COOH@GNPs und 0,1 Gew.-%-SDBS@GNPs erzielten den niedrigsten bzw. höchsten Gewinn.Wenn die Reynolds-Zahl aufgrund einer stärkeren Flüssigkeitsvermischung und Turbulenzen im Rohr 1 zunimmt, verbessert sich die Wärmeübertragungsleistung.Flüssigkeiten erreichen durch kleine Lücken höhere Geschwindigkeiten, was zu einer dünneren Geschwindigkeits-/Wärmegrenzschicht führt, was die Wärmeübertragungsrate erhöht.Das Hinzufügen weiterer Nanopartikel zur Grundflüssigkeit kann sowohl positive als auch negative Ergebnisse haben.Zu den vorteilhaften Effekten gehören erhöhte Kollisionen von Nanopartikeln, günstige Anforderungen an die Wärmeleitfähigkeit von Flüssigkeiten und eine verbesserte Wärmeübertragung.
Wärmeübertragungskoeffizient von Nanoflüssigkeit zur Grundflüssigkeit in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl für 45°- und 90°-Rohre.
Ein negativer Effekt ist gleichzeitig eine Erhöhung der dynamischen Viskosität des Nanofluids, was die Beweglichkeit des Nanofluids verringert und dadurch die durchschnittliche Nusselt-Zahl (Nuavg) verringert.Die erhöhte Wärmeleitfähigkeit von Nanoflüssigkeiten (ZNP-SDBS@DW) und (ZNP-COOH@DW) sollte auf die Brownsche Bewegung und Mikrokonvektion von in DW suspendierten Graphen-Nanopartikeln zurückzuführen sein37.Die Wärmeleitfähigkeit des Nanofluids (ZNP-COOH@DV) ist höher als die des Nanofluids (ZNP-SDBS@DV) und destillierten Wassers.Die Zugabe weiterer Nanomaterialien zur Grundflüssigkeit erhöht deren Wärmeleitfähigkeit (Tabelle 1)38.
Abbildung 7 zeigt den durchschnittlichen Reibungskoeffizienten von Nanoflüssigkeiten mit Basisflüssigkeit (DW) (f(NFs)/f(DW)) in Massenprozent (0,025 %, 0,05 % und 0,1 %).Der durchschnittliche Reibungskoeffizient beträgt immer ≈1, was bedeutet, dass nichtkovalente (GNF-SDBS@DW) und kovalente (GNF-COOH@DW) Nanoflüssigkeiten den gleichen Reibungskoeffizienten wie die Basisflüssigkeit haben.Ein Wärmetauscher mit weniger Platz führt zu mehr Strömungshindernissen und erhöht die Strömungsreibung1.Grundsätzlich nimmt der Reibungskoeffizient mit zunehmendem Massenanteil des Nanofluids leicht zu.Die höheren Reibungsverluste werden durch die erhöhte dynamische Viskosität des Nanofluids und die erhöhte Scherspannung an der Oberfläche bei einem höheren Massenanteil von Nanographen in der Basisflüssigkeit verursacht.Tabelle (1) zeigt, dass die dynamische Viskosität des Nanofluids (ZNP-SDBS@DV) bei gleichem Gewichtsprozentsatz höher ist als die des Nanofluids (ZNP-COOH@DV), was mit der Hinzufügung von Oberflächeneffekten verbunden ist.Wirkstoffe auf einem nichtkovalenten Nanofluid.
Auf Abb.8 zeigt Nanoflüssigkeit im Vergleich zur Basisflüssigkeit (DW) (\(\frac{{\Delta P}_{NFs}}{{\Delta P}_{DW}}\)) bei (0,025 %, 0,05 % und 0,1 % ).Das nichtkovalente (GNPs-SDBS@DW) Nanofluid zeigte einen höheren durchschnittlichen Druckverlust und einen Anstieg des Massenanteils auf 2,04 % für 0,025 Gew.-% und 2,46 % für 0,05 Gew.-%.und 3,44 % für 0,1 Gew.-%.mit Gehäusevergrößerung (Spiralwinkel 45° und 90°).Unterdessen zeigte das Nanofluid (GNPs-COOH@DW) einen geringeren durchschnittlichen Druckverlust, der von 1,31 % auf 0,025 Gew.-% anstieg.bis zu 1,65 % bei 0,05 % Gew.Der durchschnittliche Druckverlust von 0,05 Gew.-%-COOH@NP und 0,1 Gew.-%-COOH@NP beträgt 1,65 %.Wie man sieht, nimmt der Druckabfall in allen Fällen mit zunehmender Re-Zahl zu.Ein erhöhter Druckabfall bei hohen Re-Werten wird durch eine direkte Abhängigkeit vom Volumenstrom angezeigt.Daher führt eine höhere Re-Zahl im Rohr zu einem höheren Druckabfall, was eine Erhöhung der Pumpenleistung erfordert39,40.Darüber hinaus sind die Druckverluste aufgrund der höheren Intensität der Wirbel und Turbulenzen, die durch die größere Oberfläche erzeugt werden, höher, was die Wechselwirkung von Druck- und Trägheitskräften in der Grenzschicht erhöht1.
Im Allgemeinen sind Leistungsbewertungskriterien (PEC) für nichtkovalente (VNP-SDBS@DW) und kovalente (VNP-COOH@DW) Nanofluide in den Abbildungen dargestellt.9. Nanofluid (ZNP-SDBS@DV) zeigte in beiden Fällen (Helixwinkel 45° und 90°) höhere PEC-Werte als (ZNP-COOH@DV) und wurde durch Erhöhung des Massenanteils, beispielsweise 0,025, verbessert Gew.%.beträgt 1,17, 0,05 Gew.-% sind 1,19 und 0,1 Gew.-% sind 1,26.Unterdessen betrugen die PEC-Werte bei Verwendung von Nanoflüssigkeiten (GNPs-COOH@DW) 1,02 für 0,025 Gew.-%, 1,05 für 0,05 Gew.-% und 1,05 für 0,1 Gew.-%.in beiden Fällen (Helixwinkel 45° und 90°).1.02.Mit zunehmender Reynolds-Zahl nimmt in der Regel der thermisch-hydraulische Wirkungsgrad deutlich ab.Mit zunehmender Reynolds-Zahl ist die Abnahme des thermisch-hydraulischen Effizienzkoeffizienten systematisch mit einer Zunahme von (NuNFs/NuDW) und einer Abnahme von (fNFs/fDW) verbunden.
Hydrothermale Eigenschaften von Nanoflüssigkeiten im Vergleich zu Basisflüssigkeiten in Abhängigkeit von Reynolds-Zahlen für Rohre mit 45°- und 90°-Winkeln.
In diesem Abschnitt werden die thermischen Eigenschaften von Wasser (DW), nichtkovalenten (VNP-SDBS@DW) und kovalenten (VNP-COOH@DW) Nanofluiden bei drei verschiedenen Massenkonzentrationen und Reynolds-Zahlen erörtert.Zur Bewertung der durchschnittlichen thermohydraulischen Leistung wurden zwei Spiralbandwärmetauschergeometrien im Bereich 7000 ≤ Re ≤ 17000 im Vergleich zu herkömmlichen Rohren (Helixwinkel 45° und 90°) berücksichtigt.Auf Abb.10 zeigt die Temperatur von Wasser und Nanoflüssigkeiten am Auslass als Durchschnitt unter Verwendung von (Helixwinkel 45° und 90°) für ein gemeinsames Rohr (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{ {T} _{out}}_{Regular}}\)).Nichtkovalente (GNP-SDBS@DW) und kovalente (GNP-COOH@DW) Nanofluide haben drei verschiedene Gewichtsanteile wie 0,025 Gew.-%, 0,05 Gew.-% und 0,1 Gew.-%.Wie in Abb. gezeigt.11, der Durchschnittswert der Auslasstemperatur (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{{T}_{out}}_{Plain}}\)) > 1, Dies zeigt an, dass (45°- und 90°-Helixwinkel) die Temperatur am Auslass des Wärmetauschers aufgrund der größeren Intensität der Turbulenzen und der besseren Durchmischung der Flüssigkeit signifikanter ist als die eines herkömmlichen Rohrs.Darüber hinaus nahm die Temperatur am Auslass von DW sowie nichtkovalenten und kovalenten Nanofluiden mit zunehmender Reynolds-Zahl ab.Die Grundflüssigkeit (DW) hat die höchste mittlere Austrittstemperatur.Der niedrigste Wert bezieht sich hingegen auf 0,1 Gew.-% SDBS@GNPs.Nichtkovalente (GNPs-SDBS@DW) Nanoflüssigkeiten zeigten eine niedrigere durchschnittliche Auslasstemperatur im Vergleich zu kovalenten (GNPs-COOH@DW) Nanoflüssigkeiten.Da das verdrillte Band das Strömungsfeld stärker durchmischt, kann der wandnahe Wärmefluss leichter durch die Flüssigkeit strömen, wodurch die Gesamttemperatur steigt.Ein geringeres Verhältnis von Drehung zu Band führt zu einer besseren Penetration und damit zu einer besseren Wärmeübertragung.Andererseits ist zu erkennen, dass das aufgerollte Band eine niedrigere Temperatur gegenüber der Wand aufrechterhält, was wiederum den Nuavg erhöht.Bei verdrillten Bandeinsätzen weist ein höherer Nuavg-Wert auf eine verbesserte konvektive Wärmeübertragung innerhalb des Rohrs22 hin.Aufgrund des vergrößerten Strömungswegs und der zusätzlichen Vermischung und Turbulenz erhöht sich die Verweilzeit, was zu einem Anstieg der Temperatur der Flüssigkeit am Auslass führt41.
Reynolds-Zahlen verschiedener Nanoflüssigkeiten im Verhältnis zur Auslasstemperatur herkömmlicher Röhren (45°- und 90°-Helixwinkel).
Wärmeübertragungskoeffizienten (45°- und 90°-Helixwinkel) im Vergleich zu den Reynolds-Zahlen für verschiedene Nanoflüssigkeiten im Vergleich zu herkömmlichen Röhren.
Der Hauptmechanismus der verbesserten Wärmeübertragung durch gewickelte Bänder ist wie folgt: 1. Die Verringerung des hydraulischen Durchmessers des Wärmetauscherrohrs führt zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und Krümmung, was wiederum die Scherspannung an der Wand erhöht und die Sekundärbewegung fördert.2. Durch die Verstopfung des Wickelbandes erhöht sich die Geschwindigkeit an der Rohrwand und die Dicke der Grenzschicht nimmt ab.3. Die spiralförmige Strömung hinter dem verdrehten Riemen führt zu einer Geschwindigkeitserhöhung.4. Induzierte Wirbel verbessern die Flüssigkeitsmischung zwischen den zentralen und wandnahen Bereichen der Strömung42.Auf Abb.11 und Abb.12 zeigt beispielsweise die Wärmeübertragungseigenschaften von DW und Nanofluiden (Wärmeübertragungskoeffizient und durchschnittliche Nusselt-Zahl) als Durchschnittswerte unter Verwendung von Einführrohren mit verdrehtem Band im Vergleich zu herkömmlichen Rohren.Nichtkovalente (GNP-SDBS@DW) und kovalente (GNP-COOH@DW) Nanofluide haben drei verschiedene Gewichtsanteile wie 0,025 Gew.-%, 0,05 Gew.-% und 0,1 Gew.-%.Bei beiden Wärmetauschern (45°- und 90°-Helixwinkel) beträgt die durchschnittliche Wärmeübertragungsleistung >1, was auf eine Verbesserung des Wärmeübertragungskoeffizienten und der durchschnittlichen Nusselt-Zahl bei gewickelten Rohren im Vergleich zu herkömmlichen Rohren hinweist.Nichtkovalente (GNPs-SDBS@DW) Nanoflüssigkeiten zeigten eine höhere durchschnittliche Verbesserung der Wärmeübertragung als kovalente (GNPs-COOH@DW) Nanoflüssigkeiten.Bei Re = 900 war die Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung um 0,1 Gew.-% (SDBS@GNPs) für die beiden Wärmetauscher (Helixwinkel 45° und 90°) mit einem Wert von 1,90 am höchsten.Dies bedeutet, dass der gleichmäßige TP-Effekt bei niedrigeren Flüssigkeitsgeschwindigkeiten (Reynolds-Zahl)43 und zunehmender Turbulenzintensität wichtiger ist.Aufgrund der Einführung mehrerer Wirbel sind der Wärmeübergangskoeffizient und die durchschnittliche Nusselt-Zahl von TT-Rohren höher als bei herkömmlichen Rohren, was zu einer dünneren Grenzschicht führt.Erhöht das Vorhandensein von HP die Intensität der Turbulenzen, die Vermischung der Arbeitsflüssigkeitsströme und die verbesserte Wärmeübertragung im Vergleich zu Basisrohren (ohne Einlegen eines verdrillten Bandes)21?
Durchschnittliche Nusselt-Zahl (Helixwinkel 45° und 90°) versus Reynolds-Zahl für verschiedene Nanoflüssigkeiten im Vergleich zu herkömmlichen Röhrchen.
Die Abbildungen 13 und 14 zeigen den durchschnittlichen Reibungskoeffizienten (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain}}\)) und den Druckverlust (\(\frac{{\Delta P}) _ {Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\}} etwa 45° und 90° für herkömmliche Rohre mit DW-Nanofluiden, (GNPs-SDBS@DW) und (GNPs-COOH@DW) Ionenaustauscher enthält ( 0,025 Gew. %, 0,05 Gew. % und 0,1 Gew. %). { {f}_{Plain} }\)) und Druckverlust (\(\frac{{ \Delta P}_{Twisted}}{{\Delta P }_{Plain}}\}) abnehmen. In anderen Fällen sind der Reibungskoeffizient und der Druckverlust bei niedrigeren Reynolds-Zahlen höher. Der durchschnittliche Reibungskoeffizient und der Druckverlust liegen zwischen 3,78 und 3,12. Der durchschnittliche Reibungskoeffizient und der Druckverlust zeigen, dass (45°-Helix Winkel und 90°) Wärmetauscher kosten dreimal so viel wie herkömmliche Rohre. Darüber hinaus sinkt der Reibungskoeffizient, wenn das Arbeitsmedium mit höherer Geschwindigkeit fließt. Das Problem entsteht, weil mit zunehmender Reynolds-Zahl die Dicke der Grenzschicht zunimmt nimmt ab, was zu einer Abnahme der Wirkung der dynamischen Viskosität auf den betroffenen Bereich, einer Abnahme der Geschwindigkeitsgradienten und Scherspannungen und folglich zu einer Abnahme des Reibungskoeffizienten21 führt.Die verbesserte Sperrwirkung durch das Vorhandensein von TT und die erhöhte Verwirbelung führen bei heterogenen TT-Rohren zu deutlich höheren Druckverlusten als bei Basisrohren.Darüber hinaus ist sowohl beim Basisrohr als auch beim TT-Rohr zu erkennen, dass der Druckabfall mit der Geschwindigkeit des Arbeitsmediums zunimmt43.
Reibungskoeffizient (45°- und 90°-Helixwinkel) versus Reynolds-Zahl für verschiedene Nanoflüssigkeiten im Vergleich zu herkömmlichen Röhrchen.
Druckverlust (45°- und 90°-Helixwinkel) als Funktion der Reynolds-Zahl für verschiedene Nanoflüssigkeiten im Vergleich zu einem herkömmlichen Röhrchen.
Zusammenfassend zeigt Abbildung 15 die Leistungsbewertungskriterien (PEC) für Wärmetauscher mit 45°- und 90°-Winkeln im Vergleich zu glatten Rohren (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}} \ ) ) in (0,025 Gew.-%, 0,05 Gew.-% und 0,1 Gew.-%) unter Verwendung von DV-, (VNP-SDBS@DV) und kovalenten (VNP-COOH@DV) Nanoflüssigkeiten.Der Wert (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) > 1 in beiden Fällen (45° und 90° Spiralwinkel) im Wärmetauscher.Darüber hinaus erreicht (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) seinen besten Wert bei Re = 11.000.Der 90°-Wärmetauscher zeigt einen leichten Anstieg von (\ (\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) im Vergleich zu einem 45°-Wärmetauscher.Bei Re = 11.000 stellen 0,1 Gew.-%-GNPs@SDBS höhere (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) Werte dar, z. B. 1,25 für eine 45°-Wärmetauscherecke und 1,27 für 90°-Eckwärmetauscher.Er ist bei allen Prozentsätzen des Massenanteils größer als eins, was darauf hinweist, dass Rohre mit gedrehten Bandeinlagen herkömmlichen Rohren überlegen sind.Insbesondere die verbesserte Wärmeübertragung durch die Bandeinsätze führte zu einem deutlichen Anstieg der Reibungsverluste22.
Effizienzkriterien für die Reynolds-Zahl verschiedener Nanoflüssigkeiten im Vergleich zu herkömmlichen Röhrchen (45°- und 90°-Helixwinkel).
Anhang A zeigt Stromlinien für 45°- und 90°-Wärmetauscher bei Re = 7000 unter Verwendung von DW, 0,1 Gew.-%-GNP-SDBS@DW und 0,1 Gew.-%-GNP-COOH@DW.Die Stromlinien in der Querebene sind das auffälligste Merkmal der Wirkung verdrillter Bandeinlagen auf die Hauptströmung.Der Einsatz von 45°- und 90°-Wärmetauschern zeigt, dass die Geschwindigkeit im wandnahen Bereich annähernd gleich ist.Anhang B zeigt die Geschwindigkeitskonturen für 45°- und 90°-Wärmetauscher bei Re = 7000 unter Verwendung von DW, 0,1 Gew.-%-GNP-SDBS@DW und 0,1 Gew.-%-GNP-COOH@DW.Die Geschwindigkeitsschleifen befinden sich an drei verschiedenen Stellen (Scheiben), zum Beispiel Ebene-1 (P1 = −30 mm), Ebene-4 (P4 = 60 mm) und Ebene-7 (P7 = 150 mm).In der Nähe der Rohrwand ist die Strömungsgeschwindigkeit am geringsten und die Flüssigkeitsgeschwindigkeit nimmt zur Rohrmitte hin zu.Darüber hinaus vergrößert sich beim Durchgang durch den Luftkanal der Bereich geringer Geschwindigkeiten in Wandnähe.Dies ist auf das Wachstum der hydrodynamischen Grenzschicht zurückzuführen, die die Dicke des wandnahen Bereichs mit niedriger Geschwindigkeit erhöht.Darüber hinaus erhöht die Erhöhung der Reynolds-Zahl das Gesamtgeschwindigkeitsniveau in allen Querschnitten, wodurch die Dicke des Bereichs mit niedriger Geschwindigkeit im Kanal verringert wird39.
Kovalent und nichtkovalent funktionalisierte Graphen-Nanoblätter wurden in verdrillten Bandeinsätzen mit Helixwinkeln von 45° und 90° bewertet.Der Wärmetauscher wird numerisch mit dem SST-k-Omega-Turbulenzmodell bei 7000 ≤ Re ≤ 17000 gelöst. Die thermophysikalischen Eigenschaften werden bei Tin = 308 K berechnet. Gleichzeitig wird die verdrillte Rohrwand auf eine konstante Temperatur von 330 K erhitzt. COOH@DV) wurde beispielsweise in drei Massenmengen verdünnt (0,025 Gew.-%, 0,05 Gew.-% und 0,1 Gew.-%).Die aktuelle Studie berücksichtigte sechs Hauptfaktoren: Auslasstemperatur, Wärmeübergangskoeffizient, durchschnittliche Nusselt-Zahl, Reibungskoeffizient, Druckverlust und Leistungsbewertungskriterien.Hier die wichtigsten Erkenntnisse:
Die durchschnittliche Austrittstemperatur (\({{T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) ist immer kleiner als 1, was bedeutet, dass nicht ausgebreitet Die Austrittstemperatur von Valenz- (ZNP-SDBS@DV) und kovalenten (ZNP-COOH@DV) Nanoflüssigkeiten ist niedriger als die der Basisflüssigkeit.Inzwischen ist die durchschnittliche Auslasstemperatur (\({{T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\)) Wert > 1, was darauf hinweist Tatsache ist, dass (45° und 90° Spiralwinkel) die Austrittstemperatur höher ist als bei herkömmlichen Röhren.
In beiden Fällen zeigen die Durchschnittswerte der Wärmeübertragungseigenschaften (Nanofluid/Basisflüssigkeit) und (gedrehtes Rohr/normales Rohr) immer >1.Nichtkovalente (GNPs-SDBS@DW) Nanoflüssigkeiten zeigten einen höheren durchschnittlichen Anstieg der Wärmeübertragung, entsprechend kovalenten (GNPs-COOH@DW) Nanoflüssigkeiten.
Der durchschnittliche Reibungskoeffizient (\({f}_{Nanofluids}/{f}_{Basefluid}\)) von nichtkovalenten (VNP-SDBS@DW) und kovalenten (VNP-COOH@DW) Nanofluiden beträgt immer ≈1 .Reibung von nichtkovalenten (ZNP-SDBS@DV) und kovalenten (ZNP-COOH@DV) Nanofluiden (\({f}_{Twisted}/{f}_{Plain}\)) für immer > 3.
In beiden Fällen (Helixwinkel 45° und 90°) zeigten die Nanoflüssigkeiten (GNPs-SDBS@DW) einen höheren Wert (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) 0,025 Gew. % für 2,04 %, 0,05 Gew. % für 2,46 % und 0,1 Gew. % für 3,44 %.In der Zwischenzeit zeigten (GNPs-COOH@DW) Nanoflüssigkeiten einen niedrigeren Wert (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) von 1,31 % für 0,025 Gew.-% auf 1,65 %, also 0,05 % nach Gewicht.Darüber hinaus ist der durchschnittliche Druckverlust (\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\) von nichtkovalenten (GNPs-SDBS@DW) und kovalenten (GNPs-COOH@DW ))) Nanofluide immer >3.
In beiden Fällen (45°- und 90°-Helixwinkel) zeigten die Nanoflüssigkeiten (GNPs-SDBS@DW) einen höheren (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC} _{Basefluid}\)) @DW-Wert) , zB 0,025 Gew.-% – 1,17, 0,05 Gew.-% – 1,19, 0,1 Gew.-% – 1,26.In diesem Fall betragen die Werte von (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\)) unter Verwendung von (GNPs-COOH@DW) Nanofluiden 1,02 für 0,025 Gew.-%, 1,05 für 0 , 05 Gew.% und 1,02 ist 0,1 Gew.-%.Darüber hinaus zeigten 0,1 Gew.-%-GNPs@SDBS bei Re = 11.000 höhere Werte (\({PEC}_{Twisted}/{PEC}_{Plain}\)), beispielsweise 1,25 für einen Helixwinkel von 45° und 90°-Helixwinkel 1,27.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 17. März 2023