רכיב כימי של צינורות מפותלים מנירוסטה 304, ניתוח תרמודינמי של ננו-גליונות גרפן בעלי פונקציונליות קוולנטית ולא קוולנטית בצינורות עגולים המצוידים בטורבולטורים

תודה שביקרת ב-Nature.com.אתה משתמש בגרסת דפדפן עם תמיכת CSS מוגבלת.לקבלת החוויה הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן (או להשבית את מצב תאימות ב-Internet Explorer).בנוסף, כדי להבטיח תמיכה שוטפת, אנו מציגים את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
סליידרים המציגים שלושה מאמרים בכל שקופית.השתמש בלחצנים 'הקודם' וה'הבא' כדי לעבור בין השקופיות, או בלחצני בקר השקופיות שבקצה כדי לעבור בין כל שקופית.

304 10*1 מ"מ צינורות מפותלים מנירוסטה בסין

גודל: 3/4 אינץ', 1/2 אינץ', 1 אינץ', 3 אינץ', 2 אינץ'

אורך צינור היחידה: 6 מטר

דרגת פלדה: 201, 304 ו-316

ציון: 201, 202, 304, 316, 304 ל', 316 ל',

חומר: פלדת אל - חלד

מצב: חדש

ננו-נוזלים קוולנטיים ולא קוולנטיים נבדקו בצינורות עגולים המצוידים בתוספות סרט מעוות עם זוויות סליל של 45° ו-90°.מספר ריינולדס היה 7000 ≤ Re ≤ 17000, המאפיינים התרמופיזיים הוערכו ב-308 K. המודל הפיזיקלי נפתר מספרית באמצעות מודל צמיגות טורבולנטי בעל שני פרמטרים (SST k-omega turbulence).הריכוזים (0.025 wt.%, 0.05 wt.%, ו-0.1 wt.%) של הננו-נוזלים ZNP-SDBS@DV ו-ZNP-COOH@DV נשקלו בעבודה.הקירות של הצינורות המפותלים מחוממים בטמפרטורה קבועה של 330 K. שישה פרמטרים נבחנו במחקר הנוכחי: טמפרטורת יציאה, מקדם העברת חום, מספר Nusselt ממוצע, מקדם חיכוך, אובדן לחץ וקריטריונים להערכת ביצועים.בשני המקרים (זווית סליל של 45° ו-90°), הננו-נוזל ZNP-SDBS@DV הראה מאפיינים תרמיים-הידראוליים גבוהים יותר מ-ZNP-COOH@DV, והוא עלה עם הגדלת חלק המסה, למשל, 0.025 wt., ו-0.05 wt.הוא 1.19.% ו-1.26 - 0.1% משקל.בשני המקרים (זווית סליל 45° ו-90°), ערכי המאפיינים התרמודינמיים בעת שימוש ב-GNP-COOH@DW הם 1.02 עבור 0.025% משקל, 1.05 עבור 0.05% משקל.ו-1.02 עבור 0.1% משקל.
מחליף החום הוא מכשיר תרמודינמי 1 המשמש להעברת חום במהלך פעולות קירור וחימום.התכונות התרמיות-הידראוליות של מחליף החום משפרות את מקדם העברת החום ומפחיתות את ההתנגדות של נוזל העבודה.פותחו מספר שיטות לשיפור העברת החום, כולל משפרי טורבולנס2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 וננו-נוזלים12,13,14,15.החדרת סרט מעוות היא אחת השיטות המוצלחות ביותר לשיפור העברת החום במחלפי חום בשל קלות התחזוקה והעלות הנמוכה7,16.
בסדרה של מחקרים ניסויים וחישוביים, נחקרו התכונות ההידרותרמיות של תערובות של ננו-נוזלים ומחלפי חום עם הוספת סרט מעוות.בעבודת ניסוי, התכונות ההידרותרמיות של שלושה ננו-נוזלים מתכתיים שונים (Ag@DW, Fe@DW ו-Cu@DW) נחקרו במחליף חום של סרט מעוות מחט (STT)17.בהשוואה לצינור הבסיס, מקדם העברת החום של STT משופר ב-11% וב-67%.פריסת SST היא הטובה ביותר מנקודת מבט כלכלית מבחינת יעילות עם הפרמטר α = β = 0.33.בנוסף, נצפתה עלייה של 18.2% ב-n עם Ag@DW, אם כי העלייה המקסימלית באובדן הלחץ הייתה רק 8.5%.התהליכים הפיזיים של העברת חום ואובדן לחץ בצינורות קונצנטריים עם ובלי טורבולטורים מפותלים נחקרו באמצעות זרימות טורבולנטיות של ננו-נוזל Al2O3@DW עם הסעה מאולצת.המספר הממוצע המרבי של Nusselt (Nuavg) ואובדן הלחץ נצפים ב-Re = 20,000 כאשר גובה הסליל = 25 מ"מ ו-Al2O3@DW nanofluid 1.6 vol.%.מחקרים מעבדתיים נערכו גם כדי לחקור את מאפייני העברת החום ואובדן הלחץ של ננו-נוזלים של תחמוצת גרפן (GO@DW) הזורמים דרך צינורות כמעט עגולים עם תוספות שירותים.התוצאות הראו כי 0.12 vol%-GO@DW הגדיל את מקדם העברת החום ההסעה בכ-77%.במחקר ניסיוני אחר פותחו ננו-נוזלים (TiO2@DW) כדי לחקור את המאפיינים התרמיים-הידראוליים של צינורות עם גומות מצוידים בתוספות סרט מעוות20.היעילות ההידרותרמית המקסימלית של 1.258 הושגה באמצעות 0.15 vol%-TiO2@DW המוטבעים בפירים משופעים ב-45° עם מקדם פיתול של 3.0.מודלים של סימולציה חד-פאזיים ודו-פאזיים (היברידיים) לוקחים בחשבון את הזרימה והעברת החום של ננו-נוזלים CuO@DW בריכוזי מוצקים שונים (1-4% כרך%)21.היעילות התרמית המקסימלית של שפופרת המוכנסת עם סרט מעוות אחד היא 2.18, וצינור שהוכנס עם שני סרטים מעוותים באותם תנאים היא 2.04 (דגם דו-פאזי, Re = 36,000 ו-4 כרך%).נחקרה זרימת הננו-נוזל הסוערת הלא ניוטונית של תאית קרבוקסימטיל (CMC) ותחמוצת נחושת (CuO) בצינורות ראשיים וצינורות עם תוספות מעוותות.Nuavg מציגה שיפור של 16.1% (עבור הצינור הראשי) ו-60% (עבור הצינור המפותל ביחס של (H/D = 5)).בדרך כלל, יחס פיתול לסרט נמוך יותר מביא למקדם חיכוך גבוה יותר.במחקר ניסיוני, נחקרה ההשפעה של צינורות עם סרט מעוות (TT) וסלילים (VC) על תכונות העברת החום ומקדם החיכוך באמצעות ננו-נוזלים CuO@DW.שימוש ב-0.3 כרך.%-CuO@DW ב-Re = 20,000 מאפשר להגדיל את העברת החום בצינור VK-2 לערך מרבי של 44.45%.בנוסף, בעת שימוש בכבל זוג מעוות ובהוספת סליל באותם תנאי גבול, מקדם החיכוך גדל בגורמים של 1.17 ו-1.19 בהשוואה ל-DW.באופן כללי, היעילות התרמית של ננו-נוזלים המוכנסים לסלילים טובה יותר מזו של ננו-נוזלים המוכנסים לחוטים תקועים.המאפיין הנפחי של זרימת ננו-נוזל סוערת (MWCNT@DW) נחקר בתוך צינור אופקי שהוכנס לתוך חוט ספירלי.פרמטרי הביצועים התרמיים היו > 1 עבור כל המקרים, מה שמצביע על כך שהשילוב של ננו-נוזלים עם הכנס הסליל משפר את העברת החום מבלי לצרוך כוח משאבה.תקציר - המאפיינים ההידרותרמיים של מחליף חום דו-צינורי עם תוספות שונות העשויות מסרט בצורת V מעוות שונה (VcTT) נחקרו בתנאים של זרימה סוערת של הננו-נוזל Al2O3 + TiO2@DW.בהשוואה ל-DW בצינורות בסיס, ל- Nuavg יש שיפור משמעותי של 132% ומקדם חיכוך של עד 55%.בנוסף, נדונה היעילות האנרגטית של הננו-מורכב Al2O3+TiO2@DW במחליף חום דו-צינורי26.במחקר שלהם, הם מצאו שהשימוש ב-Al2O3 + TiO2@DW ו-TT שיפר את יעילות האקסטרגיה בהשוואה ל-DW.במחלפי חום צינוריים קונצנטריים עם טורבולטורים VcTT, Singh ו-Sarkar27 השתמשו בחומרי שינוי פאזה (PCM), ננו-נוזלים בודדים/ננו-מרוכבים מפוזרים (Al2O3@DW עם PCM ו-Al2O3 + PCM).הם דיווחו שהעברת החום ואובדן הלחץ גדלים ככל שמקדם הפיתול יורד וריכוז הננו-חלקיקים עולה.גורם עומק V-notch גדול יותר או גורם רוחב קטן יותר יכולים לספק העברת חום ואיבוד לחץ גדול יותר.בנוסף, נעשה שימוש בגרפן-פלטינה (Gr-Pt) כדי לחקור חום, חיכוך וקצב יצירת אנטרופיה כללית בצינורות עם תוספות 2-TT28.המחקר שלהם הראה שאחוז קטן יותר של (Gr-Pt) הפחית באופן משמעותי את יצירת אנטרופיית חום בהשוואה להתפתחות אנטרופית חיכוך גבוהה יחסית.ננו-נוזלים מעורבים של Al2O3@MgO ושירותים חרוטיים יכולים להיחשב כתערובת טובה, שכן יחס מוגבר (h/Δp) יכול לשפר את הביצועים ההידרותרמיים של מחליף חום דו-צינורי 29 .מודל מספרי משמש להערכת החיסכון באנרגיה והביצועים הסביבתיים של מחליפי חום עם ננו-נוזלים היברידיים (THNF) שונים (Al2O3 + גרפן + MWCNT) תלויים ב-DW30.בשל קריטריוני הערכת הביצועים שלו (PEC) בטווח של 1.42-2.35, נדרש שילוב של Insert Twisted Turbulizer Insert (DTTI) ו-(Al2O3 + Graphene + MWCNT).
עד כה, תשומת לב מועטה ניתנה לתפקיד של פונקציונליזציה קוולנטית ולא קוולנטית בזרימה הידרודינמית בנוזלים תרמיים.המטרה הספציפית של מחקר זה הייתה להשוות את המאפיינים התרמיים-הידראוליים של ננו-נוזלים (ZNP-SDBS@DV) ו-(ZNP-COOH@DV) בתוספות סרט מעוות עם זוויות סליל של 45° ו-90°.התכונות התרמופיזיקליות נמדדו ב-Tin = 308 K. במקרה זה, נלקחו בחשבון שלושה שברי מסה בתהליך ההשוואה, כגון (0.025% משקל, 0.05% משקל ו-0.1%).העברת מתח הגזירה במודל הזרימה הטורבולנטית התלת-ממדית (SST k-ω) משמשת לפתרון המאפיינים התרמיים-הידראוליים.לפיכך, מחקר זה תורם תרומה משמעותית לחקר תכונות חיוביות (העברת חום) ותכונות שליליות (ירידה בלחץ על חיכוך), תוך הדגמה של המאפיינים התרמיים-הידראוליים ואופטימיזציה של נוזלי עבודה אמיתיים במערכות הנדסיות כאלה.
התצורה הבסיסית היא צינור חלק (L = 900 מ"מ ו- Dh = 20 מ"מ).מוכנס מידות סרט מעוות (אורך = 20 מ"מ, עובי = 0.5 מ"מ, פרופיל = 30 מ"מ).במקרה זה, האורך, הרוחב והמהלך של פרופיל הספירלה היו 20 מ"מ, 0.5 מ"מ ו-30 מ"מ, בהתאמה.הקלטות המעוותות נוטות ב-45° ו-90°.נוזלי עבודה שונים כגון DW, ננו-נוזלים לא קוולנטיים (GNF-SDBS@DW) וננו-נוזלים קוולנטיים (GNF-COOH@DW) ב-Tin = 308 K, שלושה ריכוזי מסה שונים ומספרי ריינולדס שונים.הבדיקות בוצעו בתוך מחליף החום.הקיר החיצוני של הצינור הספירלי חומם בטמפרטורת פני השטח הקבועה של 330 K כדי לבדוק את הפרמטרים לשיפור העברת החום.
על איור.1 מציג באופן סכמטי צינור החדרת סרט מעוות עם תנאי גבול ישימים ואזור מרושת.כפי שהוזכר קודם לכן, תנאי גבול מהירות ולחץ חלים על חלקי הכניסה והיציאה של הסליל.בטמפרטורת פני השטח קבועה, מוטל מצב מניעת החלקה על דופן הצינור.ההדמיה המספרית הנוכחית משתמשת בפתרון מבוסס לחץ.במקביל, תוכנית (ANSYS FLUENT 2020R1) משמשת להמרת משוואת דיפרנציאלית חלקית (PDE) למערכת של משוואות אלגבריות בשיטת נפח סופי (FMM).שיטת SIMPLE מסדר שני (שיטה חצי-מרומזת למשוואות תלויות לחץ עוקבות) קשורה למהירות-לחץ.יש להדגיש שההתכנסות של שאריות למשוואות המסה, התנע והאנרגיה קטנה מ-103 ו-106, בהתאמה.
p תרשים של תחומים פיזיקליים וחישוביים: (א) זווית סליל 90°, (ב) זווית סליל 45°, (ג) ללא להב סליל.
מודל הומוגני משמש כדי להסביר את התכונות של ננו-נוזלים.על ידי שילוב ננו-חומרים בנוזל הבסיס (DW), נוצר נוזל רציף בעל תכונות תרמיות מצוינות.בהקשר זה, לטמפרטורה ולמהירות של נוזל הבסיס והננו-חומר יש אותו ערך.בשל התיאוריות וההנחות לעיל, זרימה חד-פאזי יעילה עובדת במחקר זה.מספר מחקרים הוכיחו את היעילות והישימות של טכניקות חד פאזיות לזרימה ננופלואידית31,32.
זרימת הננו-נוזלים חייבת להיות סוערת ניוטונית, בלתי ניתנת לדחיסה ונייחת.עבודת דחיסה וחימום צמיג אינם רלוונטיים במחקר זה.בנוסף, העובי של הקירות הפנימיים והחיצוניים של הצינור אינו נלקח בחשבון.לכן, משוואות המסה, התנע ושימור האנרגיה שמגדירות את המודל התרמי יכולות לבוא לידי ביטוי באופן הבא:
כאשר \(\overrightarrow{V}\) הוא וקטור המהירות הממוצע, Keff = K + Kt היא המוליכות התרמית האפקטיבית של ננו-נוזלים קוולנטיים ולא קוולנטיים, ו-ε הוא קצב פיזור האנרגיה.התכונות התרמופיזיקליות היעילות של ננו-נוזלים, כולל צפיפות (ρ), צמיגות (μ), קיבולת חום סגולית (Cp) ומוליכות תרמית (k), המוצגות בטבלה, נמדדו במהלך מחקר ניסיוני בטמפרטורה של 308 K1 בעת שימוש בסימולטורים אלה.
סימולציות מספריות של זרימת ננו-נוזל סוערת בצינורות קונבנציונליים ו-TT בוצעו במספרים של ריינולדס 7000 ≤ Re ≤ 17000. הדמיות אלו ומקדמי העברת חום ההסעה נותחו באמצעות מודל הטורבולנציה κ-ω של Mentor של העברת מתח גזירה (SST) על פני ממוצע הטורבולנציה של Reynold דגם Navier-Stokes, בשימוש נפוץ במחקר אווירודינמי.בנוסף, הדגם עובד ללא פונקציית קיר ומדויק ליד קירות 35,36.(SST) κ-ω השולטים במשוואות של מודל הטורבולנציה הן כדלקמן:
כאשר \(S\) הוא הערך של קצב המתח, ו-\(y\) הוא המרחק למשטח הסמוך.בינתיים, \({\alpha}_{1}\), \({\alpha}_{2}\), \({\beta}_{1}\), \({\beta}_{ 2 }\), \({\beta}^{*}\), \({\sigma}_{{k}_{1}}\), \({\sigma}_{{k}_{ 2 }}\), \({\sigma}_{{\omega}_{1}}\) ו-\({\sigma}_{{\omega}_{2}}\) מציינים את כל קבועי המודל.F1 ו-F2 הם פונקציות מעורבות.הערה: F1 = 1 בשכבת הגבול, 0 בזרימה המתקרבת.
פרמטרים של הערכת ביצועים משמשים לחקר העברת חום סוערת הסעה, זרימת ננו-נוזלים קוולנטית ולא קוולנטית, למשל31:
בהקשר זה, (\(\rho\)), (\(v\)), (\({D}_{h}\)) ו-(\(\mu\)) משמשים לצפיפות, מהירות נוזלים , קוטר הידראולי וצמיגות דינמית.(\({C}_{p}\, \mathrm{u}\, k\)) - קיבולת חום ספציפית ומוליכות תרמית של הנוזל הזורם.כמו כן, (\(\dot{m}\)) מתייחס לזרימת מסה, ו-({T}_{out}-{T}_{in}\)) מתייחס להפרש טמפרטורת הכניסה והיציאה.(NFs) מתייחס לננו-נוזלים קוולנטיים, לא קוולנטיים, ו-(DW) מתייחס למים מזוקקים (נוזל בסיס).\({A}_{s} = \pi DL\), \({\overline{T}}_{f}=\frac{\left({T}_{out}-{T}_{in }\right)}{2}\) ו-\({\overline{T}}_{w}=\sum \frac{{T}_{w}}{n}\).
התכונות התרמופיזיקליות של נוזל הבסיס (DW), ננו-נוזל לא קוולנטי (GNF-SDBS@DW) וננו-נוזל קוולנטי (GNF-COOH@DW) נלקחו מהספרות שפורסמה (מחקרים ניסויים), Sn = 308 K, כמו מוצג בטבלה 134. בניסוי טיפוסי להשגת ננו-נוזל לא קוולנטי (GNP-SDBS@DW) עם אחוזי מסה ידועים, גרמים מסוימים של GNP ראשוני נשקלו בתחילה על מאזן דיגיטלי.יחס המשקל של SDBS/GNP מקורי הוא (0.5:1) משוקלל ב-DW.במקרה זה, ננו-נוזלים קוולנטיים (COOH-GNP@DW) סונתזו על ידי הוספת קבוצות קרבוקסיל על פני השטח של GNP באמצעות מדיום חומצי חזק עם יחס נפח (1:3) של HNO3 ו-H2SO4.ננו-נוזלים קוולנטיים ולא קוולנטיים הושעו ב-DW בשלושה אחוזי משקל שונים כגון 0.025% משקל, 0.05%.ו-0.1% מהמסה.
בדיקות עצמאות רשת בוצעו בארבעה תחומים חישוביים שונים כדי להבטיח שגודל הרשת אינו משפיע על הסימולציה.במקרה של צינור פיתול 45°, מספר היחידות בגודל יחידה 1.75 מ"מ הוא 249,033, מספר היחידות בגודל יחידה 2 מ"מ הוא 307,969, מספר היחידות בגודל יחידה 2.25 מ"מ הוא 421,406, ומספר היחידות עם יחידה בגודל 2 .5 מ"מ 564 940 בהתאמה.בנוסף, בדוגמה של צינור מעוות 90°, מספר האלמנטים בגודל אלמנט של 1.75 מ"מ הוא 245,531, מספר האלמנטים בגודל אלמנט של 2 מ"מ הוא 311,584, מספר האלמנטים בגודל אלמנט של 2.25 מ"מ הוא 422,708, ומספר האלמנטים בגודל אלמנט של 2.5 מ"מ הוא 573,826 בהתאמה.הדיוק של קריאות מאפיינים תרמיים כגון (Tout, htc ו- Nuavg) עולה ככל שמספר האלמנטים פוחת.יחד עם זאת, הדיוק של ערכי מקדם החיכוך וירידה בלחץ הראה התנהגות שונה לחלוטין (איור 2).רשת (2) שימשה כאזור הרשת הראשי להערכת המאפיינים התרמיים-הידראוליים במקרה המדומה.
בדיקת ביצועי העברת חום וירידה בלחץ ללא תלות ברשת באמצעות זוגות של צינורות DW מעוותים ב-45° ו-90°.
התוצאות המספריות הנוכחיות אושרו עבור ביצועי העברת חום ומקדם חיכוך באמצעות מתאמים אמפיריים ידועים ומשוואות כגון Dittus-Belter, Petukhov, Gnelinsky, Notter-Rouse ו- Blasius.ההשוואה בוצעה בתנאי 7000≤Re≤17000.לפי איור.3, השגיאות הממוצעות והמקסימליות בין תוצאות הסימולציה לבין משוואת העברת החום הם 4.050 ו-5.490% (Dittus-Belter), 9.736 ו-11.33% (פטוחוב), 4.007 ו-7.483% (גנלינסקי), ו-3.883% ו-4. Nott-Belter).ורד).במקרה זה, השגיאות הממוצעות והמקסימליות בין תוצאות הסימולציה לבין משוואת מקדם החיכוך הם 7.346% ו-8.039% (בלסיוס) ו-8.117% ו-9.002% (פטוכוב), בהתאמה.
העברת חום ותכונות הידרודינמיות של DW במספרי ריינולדס שונים באמצעות חישובים מספריים ומתאמים אמפיריים.
חלק זה דן בתכונות התרמיות של ננו-נוזלים מימיים לא קוולנטיים (LNP-SDBS) וקוולנטיים (LNP-COOH) בשלושה חלקי מסה שונים ומספרי ריינולדס כממוצעים ביחס לנוזל הבסיס (DW).שתי גיאומטריות של מחליפי חום של חגורה מפותלת (זווית סליל 45° ו-90°) נדונות עבור 7000 ≤ Re ≤ 17000. באיור.4 מציג את הטמפרטורה הממוצעת ביציאת הננו-נוזל לנוזל הבסיס (DW) (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{ DW } } \) ) ב- (0.025% משקל, 0.05% משקל ו-0.1% משקל).(\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) תמיד פחות מ-1, כלומר טמפרטורת היציאה הוא לא קוולנטי (VNP-SDBS) וננו-נוזלים קוולנטיים (VNP-COOH) נמצאים מתחת לטמפרטורה ביציאה של נוזל הבסיס.ההפחתה הנמוכה והגבוהה ביותר הייתה 0.1 wt%-COOH@GNPs ו-0.1 wt%-SDBS@GNPs, בהתאמה.תופעה זו נובעת מעלייה במספר ריינולדס בשבר מסה קבוע, מה שמוביל לשינוי בתכונות הננו-נוזל (כלומר, צפיפות וצמיגות דינמית).
איורים 5 ו-6 מציגים את מאפייני העברת החום הממוצעים של ננו-נוזל לנוזל בסיס (DW) ב-(0.025% משקל, 0.05% ו-0.1% משקל).תכונות העברת החום הממוצעות תמיד גדולות מ-1, מה שאומר שתכונות העברת החום של ננו-נוזלים לא קוולנטיים (LNP-SDBS) וקוולנטיים (LNP-COOH) משופרים בהשוואה לנוזל הבסיס.0.1 wt%-COOH@GNPs ו-0.1 wt%-SDBS@GNPs השיגו את הרווח הנמוך והגבוה ביותר, בהתאמה.כאשר מספר ריינולדס עולה עקב ערבוב נוזלים ומערבולת גדולה יותר בצינור 1, ביצועי העברת החום משתפרים.נוזלים דרך מרווחים קטנים מגיעים למהירויות גבוהות יותר, וכתוצאה מכך שכבת גבול מהירות/חום דקה יותר, המגבירה את קצב העברת החום.הוספת ננו-חלקיקים נוספים לנוזל הבסיס יכולה להביא לתוצאות חיוביות ושליליות כאחד.ההשפעות המועילות כוללות התנגשויות ננו-חלקיקים מוגברות, דרישות מוליכות תרמית של נוזלים חיוביים והעברת חום משופרת.
מקדם העברת חום של ננו-נוזל לנוזל בסיס בהתאם למספר ריינולדס עבור שפופרות של 45° ו-90°.
יחד עם זאת, השפעה שלילית היא עלייה בצמיגות הדינמית של הננו-נוזל, מה שמפחית את הניידות של הננו-נוזל, ובכך מפחית את מספר Nusselt הממוצע (Nuavg).המוליכות התרמית המוגברת של ננו-נוזלים (ZNP-SDBS@DW) ו-(ZNP-COOH@DW) אמורה לנבוע מתנועה בראונית ומיקרו-קונבקציה של ננו-חלקיקי גרפן התלויים ב-DW37.המוליכות התרמית של הננו-נוזל (ZNP-COOH@DV) גבוהה מזו של הננו-נוזל (ZNP-SDBS@DV) והמים המזוקקים.הוספת ננו-חומרים נוספים לנוזל הבסיס מגבירה את המוליכות התרמית שלהם (טבלה 1)38.
איור 7 ממחיש את מקדם החיכוך הממוצע של ננו-נוזלים עם נוזל בסיס (DW) (f(NFs)/f(DW)) באחוז מסה (0.025%, 0.05% ו-0.1%).מקדם החיכוך הממוצע הוא תמיד ≈1, כלומר שלננו-נוזלים לא קוולנטיים (GNF-SDBS@DW) וקוולנטיים (GNF-COOH@DW) יש מקדם חיכוך זהה לנוזל הבסיס.מחליף חום עם פחות מקום יוצר חסימת זרימה רבה יותר ומגביר את חיכוך הזרימה1.ביסודו של דבר, מקדם החיכוך גדל מעט עם הגדלת חלק המסה של הננו-נוזל.הפסדי החיכוך הגבוהים יותר נגרמים על ידי הצמיגות הדינמית המוגברת של הננו-נוזל ומתח הגזירה המוגבר על פני השטח עם אחוז מסה גבוה יותר של ננוגרפן בנוזל הבסיס.טבלה (1) מראה שהצמיגות הדינמית של הננו-נוזל (ZNP-SDBS@DV) גבוהה מזו של הננו-נוזל (ZNP-COOH@DV) באותו אחוז משקל, הקשור להוספת השפעות פני השטח.חומרים פעילים על ננו-נוזל לא קוולנטי.
על איור.8 מציג ננו-נוזל בהשוואה לנוזל בסיס (DW) (\(\frac{{\Delta P}_{NFs}}{{\Delta P}_{DW}}\)) ב-(0.025%, 0.05% ו-0.1% ).הננו-נוזל הלא-קוולנטי (GNPs-SDBS@DW) הראה אובדן לחץ ממוצע גבוה יותר, ועם עלייה באחוז המסה ל-2.04% עבור 0.025% משקל, 2.46% עבור 0.05% משקל.ו-3.44% עבור 0.1% משקל.עם הגדלת מארז (זווית סליל 45° ו-90°).בינתיים, הננו-נוזל (GNPs-COOH@DW) הראה אובדן לחץ ממוצע נמוך יותר, עלייה מ-1.31% ב-0.025% משקל.עד 1.65% ב-0.05% משקל.אובדן הלחץ הממוצע של 0.05 wt.%-COOH@NP ו-0.1 wt.%-COOH@NP הוא 1.65%.כפי שניתן לראות, ירידת הלחץ עולה עם עלייה במספר Re בכל המקרים.ירידת לחץ מוגברת בערכי Re גבוהים מסומנת על ידי תלות ישירה בזרימת הנפח.לכן, מספר Re גבוה יותר בצינור מוביל לירידת לחץ גבוהה יותר, המחייבת הגדלת כוח המשאבה39,40.בנוסף, הפסדי הלחץ גבוהים יותר עקב עוצמת המערבולות והמערבולת הגבוהה יותר הנוצרים משטח הפנים הגדול יותר, מה שמגביר את האינטראקציה של כוחות הלחץ והאינרציה בשכבת הגבול1.
באופן כללי, קריטריונים להערכת ביצועים (PEC) עבור ננו-נוזלים לא קוולנטיים (VNP-SDBS@DW) וקוולנטיים (VNP-COOH@DW) מוצגים באיורים.9. ננו-נוזל (ZNP-SDBS@DV) הראה ערכי PEC גבוהים יותר מאשר (ZNP-COOH@DV) בשני המקרים (זווית סליל 45° ו-90°) והוא שופר על ידי הגדלת חלק המסה, למשל, 0.025 wt.%הוא 1.17, 0.05% משקל זה 1.19 ו-0.1% משקל זה 1.26.בינתיים, ערכי ה-PEC באמצעות ננו-נוזלים (GNPs-COOH@DW) היו 1.02 עבור 0.025% משקל, 1.05 עבור 0.05% משקל, 1.05 עבור 0.1% משקל.בשני המקרים (זווית סליל 45° ו-90°).1.02.ככלל, עם עלייה במספר ריינולדס, היעילות התרמית-הידראולית יורדת באופן משמעותי.ככל שמספר ריינולדס עולה, הירידה במקדם היעילות התרמית-הידראולית קשורה באופן שיטתי לעלייה ב- (NuNFs/NuDW) וירידה ב- (fNFs/fDW).
תכונות הידרותרמיות של ננו-נוזלים ביחס לנוזלי בסיס בהתאם למספרי ריינולדס עבור צינורות עם זוויות של 45° ו-90°.
סעיף זה דן בתכונות התרמיות של מים (DW), ננו-נוזלים לא קוולנטיים (VNP-SDBS@DW) וקוולנטיים (VNP-COOH@DW) בשלושה ריכוזי מסה שונים ומספרי ריינולדס.שתי גיאומטריות של מחליף חום של חגורה מפותלת נחשבו בטווח של 7000 ≤ Re ≤ 17000 ביחס לצינורות קונבנציונליים (זוויות סליל 45° ו-90°) כדי להעריך את הביצועים התרמיים-הידראוליים הממוצעים.על איור.10 מציג את הטמפרטורה של מים וננו-נוזלים ביציאה כממוצע באמצעות (זווית סליל 45° ו-90°) עבור צינור משותף (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{ {T} _{out}}_{רגיל}}\)).לננו-נוזלים לא קוולנטיים (GNP-SDBS@DW) וקוולנטיים (GNP-COOH@DW) יש שלושה חלקי משקל שונים כגון 0.025% משקל, 0.05% משקל ו-0.1%.כפי שמוצג באיור.11, הערך הממוצע של טמפרטורת היציאה (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{{T}_{out}}_{Plain}}\)) > 1, מה שמצביע על כך (זווית סליל של 45° ו-90°) הטמפרטורה ביציאה של מחליף החום משמעותית יותר מזו של צינור קונבנציונלי, בשל עוצמת המערבולת הגדולה יותר וערבוב טוב יותר של הנוזל.בנוסף, הטמפרטורה ביציאה של DW, ננו-נוזלים לא קוולנטיים וקוולנטיים ירדה עם הגדלת מספר ריינולדס.לנוזל הבסיס (DW) יש את טמפרטורת היציאה הממוצעת הגבוהה ביותר.בינתיים, הערך הנמוך ביותר מתייחס ל-0.1 wt%-SDBS@GNPs.ננו-נוזלים לא קוולנטיים (GNPs-SDBS@DW) הראו טמפרטורת יציאה ממוצעת נמוכה יותר בהשוואה לננו-נוזלים קוולנטיים (GNPs-COOH@DW).מכיוון שהסרט המעוות הופך את שדה הזרימה למעורבב יותר, שטף החום הקרוב לקיר יכול לעבור בקלות רבה יותר דרך הנוזל, ולהגדיל את הטמפרטורה הכוללת.יחס טוויסט לטייפ נמוך יותר מביא לחדירה טובה יותר ומכאן להעברת חום טובה יותר.מצד שני, ניתן לראות שהסרט המגולגל שומר על טמפרטורה נמוכה יותר כנגד הקיר, מה שבתורו מגביר את ה- Nuavg.עבור הוספת סרט מעוות, ערך Nuavg גבוה יותר מצביע על שיפור בהעברת חום הסעה בתוך הצינור22.עקב מסלול הזרימה המוגבר וערבול נוסף וערבוליות, זמן השהייה גדל, וכתוצאה מכך לעלייה בטמפרטורת הנוזל ביציאה41.
מספר ריינולדס של ננו-נוזלים שונים ביחס לטמפרטורת היציאה של צינורות קונבנציונליים (זוויות סליל של 45° ו-90°).
מקדמי העברת חום (זווית סליל של 45° ו-90°) לעומת מספרי ריינולדס עבור ננו-נוזלים שונים בהשוואה לצינורות קונבנציונליים.
המנגנון העיקרי של העברת חום סרט מפותל משופר הוא כדלקמן: 1. הקטנת הקוטר ההידראולי של צינור חילופי החום מוביל לעלייה במהירות הזרימה והעקמומיות, אשר בתורו מגביר את מתח הגזירה בקיר ומקדם תנועה משנית.2. עקב חסימה של סרט מתפתל, המהירות בדופן הצינור עולה, ועובי שכבת הגבול יורד.3. זרימה ספירלית מאחורי החגורה המפותלת מובילה לעלייה במהירות.4. מערבולות מושרות משפרות את ערבוב הנוזלים בין האזור המרכזי והסמוך לקיר של הזרימה42.על איור.11 ואיור.12 מציג את תכונות העברת החום של DW וננו-נוזלים, למשל (מקדם העברת חום ומספר Nusselt ממוצע) כממוצעים באמצעות צינורות החדרת סרט מעוות בהשוואה לצינורות קונבנציונליים.לננו-נוזלים לא קוולנטיים (GNP-SDBS@DW) וקוולנטיים (GNP-COOH@DW) יש שלושה חלקי משקל שונים כגון 0.025% משקל, 0.05% משקל ו-0.1%.בשני מחליפי החום (זווית סליל של 45° ו-90°) ביצועי העברת החום הממוצעים הם >1, מה שמצביע על שיפור במקדם העברת החום ובמספר Nusselt הממוצע עם צינורות מפותלים בהשוואה לצינורות קונבנציונליים.ננו-נוזלים לא קוולנטיים (GNPs-SDBS@DW) הראו שיפור ממוצע בהעברת חום גבוה יותר מננו-נוזלים קוולנטיים (GNPs-COOH@DW).ב-Re = 900, השיפור של 0.1% משקל בביצועי העברת החום -SDBS@GNPs עבור שני מחליפי החום (זווית סליל של 45° ו-90°) היה הגבוה ביותר עם ערך של 1.90.משמעות הדבר היא שאפקט ה-TP האחיד חשוב יותר במהירויות נוזלים נמוכות יותר (מספר ריינולדס)43 ובעוצמת המערבולת הגוברת.עקב הכנסת מערבולות מרובות, מקדם העברת החום ומספר צינורות TT הממוצע של Nusselt גבוהים יותר מצינורות קונבנציונליים, וכתוצאה מכך שכבת גבול דקה יותר.האם נוכחות HP מגבירה את עוצמת המערבולת, ערבוב זרימות נוזל עבודה והעברת חום משופרת בהשוואה לצינורות בסיס (ללא הכנסת סרט מעוות)21.
מספר Nusselt ממוצע (זווית סליל 45° ו-90°) לעומת מספר ריינולדס עבור ננו-נוזלים שונים בהשוואה לצינורות קונבנציונליים.
איורים 13 ו-14 מציגים את מקדם החיכוך הממוצע (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain}}\)) ואיבוד לחץ (\(\frac{{\Delta P} _ {Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\}} בערך 45° ו-90° עבור צינורות קונבנציונליים המשתמשים ב-DW ננו-נוזלים, (GNPs-SDBS@DW) ו-(GNPs-COOH@DW) מחליף יונים מכיל ( 0.025 % wt, 0.05 wt % ו- 0.1 wt %) { {f}_{Plain} }\)) ואובדן לחץ (\(\frac{{ \Delta P}_{Twisted}}{{\Delta P _{Plain}}\}) ירידה. במקרים, מקדם החיכוך ואובדן הלחץ גבוהים יותר במספרי ריינולדס נמוכים יותר מקדם החיכוך ואובדן הלחץ הממוצעים הם בין 3.78 ל-3.12. זווית ו-90°) עלות מחליף חום גבוהה פי שלושה מצינורות קונבנציונליים.בנוסף, כאשר נוזל העבודה זורם במהירות גבוהה יותר, מקדם החיכוך יורד. הבעיה מתעוררת מכיוון שככל שמספר ריינולדס עולה, עובי שכבת הגבול ירידה, מה שמוביל לירידה בהשפעת הצמיגות הדינמית על האזור הפגוע, ירידה בשיפוע המהירות ובמתחי הגזירה, וכתוצאה מכך, ירידה במקדם החיכוך21.אפקט החסימה המשופר עקב נוכחות TT והערבול המוגבר מביא לאובדני לחץ גבוהים משמעותית עבור צינורות TT הטרוגניים מאשר עבור צינורות בסיס.בנוסף, הן עבור צינור הבסיס והן עבור צינור TT, ניתן לראות כי ירידת הלחץ עולה עם מהירות נוזל העבודה43.
מקדם חיכוך (זווית סליל של 45° ו-90°) לעומת מספר ריינולדס עבור ננו-נוזלים שונים בהשוואה לצינורות קונבנציונליים.
אובדן לחץ (זווית סליל של 45° ו-90°) כפונקציה של מספר ריינולדס עבור ננו-נוזלים שונים ביחס לצינור קונבנציונלי.
לסיכום, איור 15 מציג קריטריונים להערכת ביצועים (PEC) עבור מחליפי חום עם זוויות של 45° ו-90° בהשוואה לצינורות רגילים (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}} \ ) ) ב-(0.025% משקל, 0.05% ו-0.1%%) באמצעות ננו-נוזלים DV, (VNP-SDBS@DV) וקוולנטיים (VNP-COOH@DV).הערך (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) > 1 בשני המקרים (זווית סליל של 45° ו-90°) במחליף החום.בנוסף, (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\))) מגיעה לערכו הטוב ביותר ב-Re = 11,000.מחליף החום של 90° מראה עלייה קלה ב- (\ (\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) בהשוואה למחליף חום של 45°., At Re = 11,000 0.1 wt%-GNPs@SDBS מייצג (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) ערכים גבוהים יותר, למשל 1.25 עבור פינת מחליף חום 45° ו-1.27 עבור מחליף חום פינתי 90°.זה גדול מאחד בכלל אחוזי שבר המסה, מה שמצביע על כך שצינורות עם הוספת סרט מעוות עדיפים על צינורות קונבנציונליים.יש לציין שהעברת החום המשופרת שסופקו על ידי תוספות הקלטת הביאה לעלייה משמעותית בהפסדי החיכוך22.
קריטריוני יעילות למספר ריינולדס של ננו-נוזלים שונים ביחס לצינורות קונבנציונליים (זווית סליל של 45° ו-90°).
נספח א' מציג קווי ייעול עבור מחליפי חום של 45° ו-90° ב-Re = 7000 באמצעות DW, 0.1 wt%-GNP-SDBS@DW ו-0.1 wt%-GNP-COOH@DW.קווי היעילות במישור הרוחבי הם המאפיין הבולט ביותר של ההשפעה של תוספות סרט מעוות על הזרימה הראשית.השימוש במחלפי חום של 45° ו-90° מראה שהמהירות באזור הקרוב לקיר זהה בערך.בינתיים, נספח B מציג את קווי המתאר של מחליפי חום של 45° ו-90° ב-Re = 7000 באמצעות DW, 0.1 wt%-GNP-SDBS@DW ו-0.1 wt%-GNP-COOH@DW.לולאות המהירות נמצאות בשלושה מיקומים שונים (פרוסות), למשל, רגיל-1 (P1 = −30 מ"מ), רגיל-4 (P4 = 60 מ"מ) ו-Pin-7 (P7 = 150 מ"מ).מהירות הזרימה ליד דופן הצינור היא הנמוכה ביותר ומהירות הנוזל עולה לכיוון מרכז הצינור.בנוסף, כאשר עוברים דרך צינור האוויר, שטח המהירויות הנמוכות ליד הקיר גדל.זה נובע מהצמיחה של שכבת הגבול ההידרודינמית, שמגדילה את עובי האזור בעל המהירות הנמוכה ליד הקיר.בנוסף, הגדלת מספר ריינולדס מגדילה את רמת המהירות הכוללת בכל החתכים, ובכך מפחיתה את העובי של אזור המהירות הנמוכה בערוץ39.
גיליונות ננו של גרפן עם פונקציונליות קוולנטית ולא קוולנטית הוערכו בתוספות סרט מעוות עם זוויות סליל של 45° ו-90°.מחליף החום נפתר מספרית באמצעות מודל SST k-omega turbulence ב-7000 ≤ Re ≤ 17000. התכונות התרמופיזיקליות מחושבות ב- Tin = 308 K. בו זמנית מחממים את דופן הצינור המעוות בטמפרטורה קבועה של 330 K. COOH@DV) היה מדולל בשלוש כמויות מסה, למשל (0.025% משקל, 0.05% משקל ו-0.1% משקל).המחקר הנוכחי שקל שישה גורמים עיקריים: טמפרטורת יציאה, מקדם העברת חום, מספר נוסלט ממוצע, מקדם חיכוך, אובדן לחץ וקריטריונים להערכת ביצועים.להלן הממצאים העיקריים:
טמפרטורת היציאה הממוצעת (\({{T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) היא תמיד פחות מ-1, כלומר טמפרטורת היציאה של ערכיות (ZNP-SDBS@DV) ושל ננו-נוזלים קוולנטיים (ZNP-COOH@DV) נמוכה מזו של נוזל הבסיס.בינתיים, הערך הממוצע של טמפרטורת היציאה (\({{T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\))) > 1, המציין את עובדה (זווית סליל של 45° ו-90°) טמפרטורת היציאה גבוהה יותר מאשר בצינורות רגילים.
בשני המקרים, הערכים הממוצעים של מאפייני העברת החום (ננו-נוזל/נוזל בסיס) ו-(צינור מעוות/צינור רגיל) תמיד מראים >1.ננו-נוזלים לא קוולנטיים (GNPs-SDBS@DW) הראו עלייה ממוצעת גבוהה יותר בהעברת חום, המקבילה לננו-נוזלים קוולנטיים (GNPs-COOH@DW).
מקדם החיכוך הממוצע (\({f}_{Nanofluids}/{f}_{Basefluid}\)) של ננו-נוזלים לא-קוולנטיים (VNP-SDBS@DW) וקוולנטיים (VNP-COOH@DW) הוא תמיד ≈1 .חיכוך של ננו-נוזלים לא קוולנטיים (ZNP-SDBS@DV) וקוולנטיים (ZNP-COOH@DV) (\({f}_{Twisted}/{f}_{Plain}\)) עבור תמיד > 3.
בשני המקרים (זווית סליל של 45° ו-90°), הננו-נוזלים (GNPs-SDBS@DW) הראו גבוה יותר (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) 0.025 .% משקל עבור 2.04%, 0.05% משקל עבור 2.46% ו-0.1% משקל עבור 3.44%.בינתיים, (GNPs-COOH@DW) ננו-נוזלים הראו נמוכים יותר (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) מ-1.31% עבור 0.025% משקל ל-1.65% הוא 0.05 % על ידי משקל.בנוסף, אובדן הלחץ הממוצע (\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\) של לא קוולנטי (GNPs-SDBS@DW) וקולנטי (GNPs-COOH@DW ))) ננו-נוזלים תמיד >3.
בשני המקרים (זוויות סליל של 45° ו-90°), הננו-נוזלים (GNPs-SDBS@DW) הראו ערך גבוה יותר (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC} _{Basefluid}\)) @DW) , למשל 0.025% משקל - 1.17, 0.05% משקל - 1.19, 0.1% משקל - 1.26.במקרה זה, הערכים של (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\)) באמצעות (GNPs-COOH@DW) ננו-נוזלים הם 1.02 עבור 0.025% משקל, 1.05 עבור 0 , 05 wt.% ו-1.02 הם 0.1% במשקל.בנוסף, ב-Re = 11,000, 0.1 wt%-GNPs@SDBS הראה ערכים גבוהים יותר (\({PEC}_{Twisted}/{PEC}_{Plain}\)), כמו 1.25 עבור זווית סליל של 45° וזווית סליל של 90° 1.27.
Thianpong, C. et al.אופטימיזציה רב-תכליתית של זרימת טיטניום דו-חמצנית/מים ננו-נוזל במחליף החום, משופרת על ידי תוספות סרט מעוות עם כנפי דלתא.פנימי J. Hot.המדע.172, 107318 (2022).
Langerudi, HG and Jawaerde, C. מחקר ניסיוני של זרימת נוזלים לא ניוטונית במפוח המוכנס עם סרטים מעוותים טיפוסיים ובצורת V.Heat and Mass Transfer 55, 937–951 (2019).
דונג, X. et al.מחקר ניסיוני של מאפייני העברת החום והתנגדות הזרימה של מחליף חום צינורי מעוות ספירלה [J].טמפרטורת היישום.פּרוֹיֶקט.176, 115397 (2020).
Yongsiri, K., Eiamsa-Ard, P., Wongcharee, K. & Eiamsa-Ard, SJCS העברת חום משופרת בזרימת ערוץ סוערת עם סנפירים מפרידים אלכסוניים.מחקר אקטואלי.טֶמפֶּרָטוּרָה.פּרוֹיֶקט.3, 1–10 (2014).