Analisi termoidraulica di nanopiastrine di grafene funzionalizzate covalenti e non covalenti in tubi circolari dotati di turbolatori

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 17710 (2022) Citare questo articolo

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Nanofluidi covalenti e non covalenti sono stati testati all'interno di un tubo circolare dotato di inserti di nastro ritorto con angoli dell'elica di 45° e 90°. Il numero di Reynolds era 7000 ≤ Re ≤ 17.000 e le proprietà termofisiche sono state valutate a 308 K. Il modello fisico è stato risolto numericamente tramite un modello di viscosità eddy a due equazioni (turbolenza k-omega SST). In questo studio sono stati considerati nanofluidi GNPs-SDBS@DW e GNPs-COOH@DW con concentrazioni (0,025% in peso, 0,05% in peso e 0,1% in peso). Le pareti dei tubi ritorti sono state riscaldate a una temperatura costante di 330 K. Lo studio attuale ha considerato sei parametri: temperatura di uscita, coefficiente di trasferimento di calore, numero di Nusselt medio, fattore di attrito, perdita di pressione e criterio di valutazione delle prestazioni. In entrambi i casi (angoli dell'elica di 45° e 90°), i nanofluidi GNPs-SDBS@DW hanno presentato prestazioni termoidrauliche più elevate rispetto a GNPs-COOH@DW e sono aumentate aumentando le frazioni di massa come 1,17 per lo 0,025 in peso, 1,19 per lo 0,05 in peso. % e 1,26 per lo 0,1% in peso. Nel frattempo, in entrambi i casi (angoli dell'elica di 45° e 90°), il valore delle prestazioni termoidrauliche utilizzando GNPs-COOH@DW era 1,02 per lo 0,025% in peso, 1,05 per lo 0,05% in peso e 1,02 per lo 0,1% in peso.

Gli scambiatori di calore sono dispositivi termici utilizzati per trasportare il calore durante le operazioni di raffreddamento e riscaldamento1. Le prestazioni termoidrauliche dello scambiatore di calore aumentano i coefficienti di trasferimento del calore e riducono la resistenza del fluido di lavoro. Sono state sviluppate alcune tecniche di miglioramento del trasferimento di calore, inclusi promotori di turbolenza2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 e nanofluidi12,13,14,15. Grazie alla semplicità di manutenzione e al basso costo, l'inserimento del nastro ritorto è uno dei modi più efficaci per migliorare il trasferimento di calore in uno scambiatore di calore7,16.

In una serie di ricerche sperimentali e computazionali sono state studiate le caratteristiche idrotermali di una miscela di nanofluidi e di uno scambiatore di calore con inserti di nastro ritorto. Il lavoro sperimentale ha esplorato le proprietà idrotermali di tre diversi nanofluidi metallici (Ag@DW, Fe@DW e Cu@DW) all'interno di uno scambiatore di calore con nastri intrecciati a punta (STT)17. Il coefficiente di scambio termico di STT è aumentato dell'11 e del 67% rispetto al tubo base. In base al fattore di prestazione, la soluzione SST si è rivelata la più conveniente con i parametri α = β = 0,33. Inoltre, utilizzando Ag@DW è stato osservato un aumento del 18,2%, anche se l'aumento maggiore della perdita di pressione è stato solo dell'8,5%. Le caratteristiche fisiche del trasferimento di calore e della perdita di pressione in un tubo concentrico con e senza turbolatori a spirale metallica (WC) sono state esplorate utilizzando il flusso di nanofluido Al2O3@DW a convezione forzata turbolenta18. Il numero di Nusselt medio massimo (Nuavg) e la perdita di pressione sono stati osservati sotto Re = 20.000 quando la bobina del filo di passo = 25 mm e 1,6 volume% -Al2O3@DW di nanofluidi. Sono stati inoltre condotti studi di laboratorio per studiare le caratteristiche di trasferimento di calore e perdita di pressione dei nanofluidi di ossido di grafene (GO@DW) che fluiscono attraverso un tubo circolare di base con inserti WC19. Secondo i risultati, 0,12 volume%-GO@DW ha aumentato il coefficiente di trasferimento di calore convettivo di circa il 77%. Un ulteriore studio sperimentale ha sviluppato un nanofluido (TiO2@DW), esaminando le prestazioni termoidrauliche di tubi alveolati dotati di inserti di nastro ritorto20. La massima efficienza termoidraulica di 1,258 è stata ottenuta utilizzando 0,15% in volume di TiO2@DW in una fossetta inclinata di 45° e incorporata con un rapporto di nastro ritorto di 3,0. I modelli di simulazione monofase e bifase (misti) hanno risolto il flusso di nanofluidi CuO@DW e il trasferimento di calore nelle varie concentrazioni di solidi (1–4% di volume%)21. L'efficienza termica massima in un tubo con un inserimento di nastro ritorto era 2,18, ma era 2,04 in un tubo con due inserimenti di nastro ritorto negli stessi termini (modello a due fasi, Re = 36.000 e 4 volume%). Il flusso nanofluido turbolento non newtoniano di carbossimetilcellulosa (CMC) e ossido di rame (CuO) è stato esaminato in un tubo base e in un tubo con inserimenti ritorti22. Nuavg ha dimostrato miglioramenti del 16,1% (per un tubo base) e del 60% [per un tubo ritorto con un rapporto di (H/D = 5)]. Spesso, il rapporto di torsione del nastro più piccolo ha determinato un fattore di attrito più elevato. Uno studio sperimentale ha esaminato le influenze del tubo con nastro ritorto (TT) e bobina di filo (WC) sulle proprietà del trasferimento di calore e del fattore di attrito utilizzando il nanofluido CuO@DW23. L'utilizzo di 0,3% in volume-CuO@DW a Re = 20.000 ha migliorato il trasferimento di calore fino al suo valore massimo del 44,45% in un tubo WC-2. Inoltre, applicando inserimenti di nastro ritorto e bobina di filo nelle stesse condizioni al contorno, i fattori di attrito sono aumentati di 1,17 volte e 1,19 volte rispetto al DW. In generale, il fattore di prestazione termica dei nanofluidi con inserimento di bobine di filo era migliore rispetto a quello degli inserimenti di nastro ritorto. Le prestazioni complessive del flusso di nanofluidi turbolenti (MWCNTs@DW) sono state esaminate all'interno di un tubo orizzontale con filo a spirale inserito24. Tutti i casi avevano un parametro di prestazione termica > 1, indicando che la combinazione di nanofluidi con inserimenti di bobine di filo ha migliorato il trasferimento di calore senza consumare energia di pompaggio. Sono stati condotti esperimenti in condizioni turbolente di flusso di nanofluidi Al2O3 + TiO2@DW sulle proprietà idrotermali in uno scambiatore di calore a doppio tubo con vari inserimenti di nastro ritorto con tagli a V modificati (VcTT)25. Nuavg è stato migliorato in modo significativo della percentuale del 132% e il fattore di attrito è arrivato fino al 55% rispetto a DW in un tubo base. Inoltre, è stata discussa l'efficacia exergetica del nanocomposito Al2O3 + TiO2@DW all'interno di uno scambiatore di calore a doppio tubo26. Nella loro ricerca hanno scoperto che l’impiego di Al2O3 + TiO2@DW e TT aumenta l’efficienza exergetica rispetto al DW. In uno scambiatore di calore a tubi concentrici con un turbolatore VcTT, Singh e Sarkar27 hanno utilizzato nanofluidi mono/nanocompositi dispersi con materiale a cambiamento di fase (PCM) (Al2O3@DW con PCM e Al2O3 + PCM). Hanno riferito che il trasferimento di calore e la perdita di pressione aumentavano quando il rapporto di torsione diminuiva e la concentrazione di nanoparticelle aumentava. Un maggiore trasferimento di calore e una maggiore perdita di pressione sono stati ottenuti con un rapporto di profondità del taglio a V maggiore o un rapporto di larghezza inferiore. Inoltre, è stato applicato il grafene-platino (Gr-Pt) per esaminare i tassi di produzione di entropia termica, di attrito e totale nei tubi con inserzioni 2-TT28. Il loro studio ha rilevato che una percentuale inferiore di (Gr-Pt) ha ridotto significativamente la formazione di entropia termica rispetto allo sviluppo di entropia frizionale relativamente aumentato. Il nanofluido ibrido Al2O3@MgO e il WC conico possono essere considerati un buon mix grazie al rapporto migliorato (h/Δp) per migliorare le proprietà idrotermali di uno scambiatore di calore a doppio tubo29. È stato utilizzato un modello numerico per risolvere l'efficacia ambientale exergo-economica dello scambiatore di calore avente vari nanofluidi ibridi tripartiti (THNF) (Al2O3 + grafene + MWCNT) sospesi in DW30. La combinazione di inserto turbolatore ritorto con fossette (DTTI) e (Al2O3 + grafene + MWCNT) era desiderata perché i suoi criteri di valutazione delle prestazioni (PEC) erano compresi tra 1,42 e 2,35.

1, indicating that the outlet temperature of (45° and 90° helix angles) heat exchangers was more significant than the value of outlet temperature for the plain pipe due to a more vigorous turbulence intensity and better fluid mixing. Furthermore, as the Reynolds number rises, the outlet temperature of DW, non-covalent, and covalent nanofluids declines. Based fluid (DW) has the highest average output temperature values. Meanwhile, the lowest value is dedicated for 0.1 wt.%-SDBS@GNPs. The non-covalent (GNPs-SDBS@DW) nanofluids show lower average outlet temperature relative to covalent (GNPs-COOH@DW) nanofluids. As the flow field is mixed up more as a result of the twisted tape, the wall heat flux can more easily pass through the fluid flow, raising the bulk temperature. Smaller twisted tape ratio values result in better penetration, which improves heat transmission. The twisted tape, on the other hand, is seen to maintain a lower temperature near the wall, which in turn raises Nuavg. With twisted tape inserts, a higher Nuavg indicates improved convective heat transmission across tube22. Increased residence time due to raised flow path with extra mixing and turbulence creation, they are resulting in a rise in the fluid's outlet temperature41./p> 1, which indicates improvement of heat transfer coefficient and average Nusselt number using twisted pipes relative to plain pipe. The non-covalent (GNPs-SDBS@DW) nanofluids show higher average heat transfer enhancement than covalent (GNPs-COOH@DW) nanofluids. The highest augmentation in the heat transfer properties was reached by 0.1 wt.%-SDBS@GNPs with the value of 1.90 in both heat exchangers (45° and 90° helix angles) at Re = 900. This means that the role of uniform TT in increasing turbulence intensity is far more major at the lower fluid velocities (Reynolds numbers)43. The heat transfer coefficient and average Nusselt number in TT pipes are higher than in a plain pipe due to the induction of multiple swirl flows, resulting in thinner boundary layer. Comparison to the basic pipe (no twisted tape insertions), whether the existence of TT produces increased turbulence intensity, flow mixing of working fluids, and heat transfer enhancement21./p> 1 in both instances (45° and 90° helix angles) heat exchangers. Furthermore, the better value of (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) is reached at Re = 11,000. The 90°-degree angle heat exchanger revealed a modest increase (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) values in comparison to the 45°-degree angle heat exchanger. Furthermore, at Re = 11,000, 0.1 wt.%-GNPs@SDBS indicates a higher (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) value, such as 1.25 for 45°-degree angle heat exchanger and 1.27 for 90°-degree angle heat exchanger. It is larger than unity at all mass fraction percentages, pointing out that the pipe with twisted tape inserts outperforms the plain pipe. It is noted that heat transfer augmentation supplied by the tape inserts results in significantly increased friction loss22./p> 1, indicating that the outlet temperature of (45° and 90° helix angles) was more substantial than the value of outlet temperature for the plain pipe./p> 1. The non-covalent (GNPs-SDBS@DW) nanofluids showed higher average heat transfer augmentation corresponding to covalent (GNPs-COOH@DW) nanofluids./p> 3./p> 3./p>