タービュレーターを取り付けた円管内の共有結合および非共有結合で官能化されたグラフェンナノプレートレットの熱水力学的分析

Scientific Reports volume 12、記事番号: 17710 (2022) この記事を引用

共有結合性および非共有結合性のナノ流体は、らせん角 45°および 90°のツイストテープインサートを取り付けた円形チューブ内でテストされました。レイノルズ数は 7000 ≤ Re ≤ 17,000 で、熱物理的性質は 308 K で評価されました。物理モデルは 2 方程式渦粘性モデル (SST k-オメガ乱流) を介して数値的に解かれました。この研究では、濃度 (0.025 wt.%、0.05 wt.%、および 0.1 wt.%) の GNPs-SDBS@DW および GNPs-COOH@DW ナノ流体が検討されました。ねじれたパイプの壁は 330 K の一定温度で加熱されました。今回の研究では、出口温度、熱伝達係数、平均ヌッセルト数、摩擦係数、圧力損失、および性能評価基準の 6 つのパラメーターが考慮されました。どちらの場合（らせん角 45°および 90°）でも、GNPs-SDBS@DW ナノ流体は、GNPs-COOH@DW よりも高い熱水力学的性能を示し、0.025 wt.% の場合は 1.17、0.05 wt.% の場合は 1.19 など、質量分率を増加させることで向上しました。％、０．１重量％の場合は１．２６。一方、両方の場合（ねじれ角 45°および 90°）において、GNPs-COOH@DW を使用した熱水力学的性能の値は、0.025 wt.% の場合は 1.02、0.05 wt.% の場合は 1.05、0.1 wt.% の場合は 1.02 でした。

熱交換器は、冷暖房運転中に熱を輸送するために使用される熱装置です1。熱交換器の熱油圧性能により、熱伝達係数が向上し、作動流体の抵抗が低下します。乱流促進剤 2、3、4、5、6、7、8、9、10、11 やナノ流体 12、13、14、15 など、いくつかの熱伝達促進技術が開発されています。メンテナンスが簡単でコストが低いため、ツイストテープ挿入は、熱交換器内の熱伝達を高める最も成功した方法の 1 つです7,16。

一連の実験的および計算的研究において、ナノ流体の混合物とねじれたテープインサートを備えた熱交換器の水熱特性が調査されました。実験研究では、スパイキーツイストテープ (STT) を備えた熱交換器内の 3 つの異なる金属ナノ流体 (Ag@DW、Fe@DW、および Cu@DW) の水熱特性を調査しました。 STT の熱伝達率は、基本パイプと比較して 11 および 67% 向上しました。 SST 配置は、パラメータ α = β = 0.33 を使用したパフォーマンス係数に基づくコスト効率が最も優れていました。さらに、圧力損失の最大増加はわずか 8.5% であったにもかかわらず、Ag@DW を使用すると 18.2% の n 増加が観察されました。ワイヤーコイル (WC) タービュレーターの有無にかかわらず、同心円管における熱伝達と圧力損失の物理的特性を、乱流強制対流 Al2O3@DW ナノ流体流を使用して調査しました18。最大平均ヌッセルト数 (Nuavg) と圧力損失は、ピッチワイヤーコイル = 25 mm および 1.6 体積%-Al2O3@DW ナノ流体の場合、Re = 20,000 で見られました。 WC インサートを備えた基本的な円管を流れる酸化グラフェン (GO@DW) ナノ流体の熱伝達と圧力損失の特徴を調査するための実験室研究も実施されました 19。結果によると、0.12 volume%-GO@DW は対流熱伝達係数を約 77% 上昇させました。追加の実験研究では、(TiO2@DW) ナノ流体を開発し、ねじれたテープインサートを取り付けたディンプル付きチューブの熱水力学的性能を調べました 20。最大の熱水力効率 1.258 は、傾斜した 45°ディンプル内に 0.15 体積%の TiO2@DW を使用し、ツイストテープ比 3.0 で埋め込まれたものを使用して達成されました。単相および二相 (混合) シミュレーションモデルは、さまざまな固体濃度 (1 ～ 4% 体積%) での CuO@DW ナノ流体の流れと熱伝達を解決しました 21。 1 回のテープ挿入をツイストしたチューブの最大熱効率は 2.18 でしたが、同じ条件で 2 回のツイストテープ挿入を行ったチューブ (二相モデル、Re = 36,000、4 体積%) では 2.04 でした。カルボキシメチルセルロース (CMC) と酸化銅 (CuO) の非ニュートン乱流ナノ流体の流れを、基本パイプとねじれたインサートを備えたパイプで調べました 22。 Nuavg は、16.1% (基本パイプの場合)、60% (H/D = 5) の比率のツイストパイプの場合などの改善を実証しました。多くの場合、テープの撚り比率が小さいほど、より高い摩擦係数が確立されます。実験研究では、CuO@DW ナノ流体 23 を使用して、ツイストテープ (TT) とワイヤーコイル (WC) を備えたパイプが熱伝達と摩擦係数特性に及ぼす影響を調べました。 Re = 20,000 で 0.3volume%-CuO@DW を使用すると、WC-2 チューブ内での熱伝達が最大値の 44.45% まで向上しました。さらに、同じ境界条件でツイストテープとワイヤコイル挿入を適用することにより、摩擦係数はDWと比較して1.17倍および1.19倍増加しました。一般に、ワイヤーコイルを挿入したナノ流体の熱性能係数は、ツイストテープを挿入した場合よりも優れていました。乱流 (MWCNTs@DW) ナノ流体流の全体的な性能は、コイル状のワイヤーが挿入された水平パイプ内で検査されました 24。すべてのケースで熱性能パラメータ > 1 があり、ナノ流体とワイヤコイル挿入を組み合わせることで、ポンピングパワーを消費せずに熱伝達が向上したことが示されました。 Al2O3 + TiO2@DW ナノ流体乱流条件下での実験は、さまざまな改良型 V カットツイストテープ (VcTT) 挿入を備えた二重管熱交換器における水熱特性について実施されました 25。 Nuavg は 132% の割合で大幅に強化され、基本的なパイプの DW と比較した場合、摩擦係数は最大 55% になりました。また、ナノコンポジット Al2O3 + TiO2@DW の発熱効果が二重管熱交換器内で議論されました 26。彼らは、Al2O3 + TiO2@DW および TT を使用すると、DW に比べてエクセルギー効率が増加することを研究で発見しました。 Singh と Sarkar27 は、VcTT タービュレーターを備えた同心管熱交換器において、相変化材料 (PCM) が分散したモノ/ナノ複合ナノ流体 (PCM および Al2O3 + PCM を含む Al2O3@DW) を使用しました。彼らは、ねじり比が減少し、ナノ粒子濃度が増加すると、熱伝達と圧力損失が増加すると報告しました。 Vカット深さ比が大きいほど、または幅比が小さいほど、より大きな熱伝達と圧力損失が得られます。さらに、グラフェン - プラチナ (Gr-Pt) を適用して、2-TT 挿入を有するチューブの熱、摩擦、および総エントロピー生成速度を調べました 28。彼らの研究は、(Gr-Pt) の割合が少ないと、摩擦エントロピーの発生が相対的に増加するのではなく、熱エントロピーの生成が大幅に減少することに注目しました。 Al2O3@MgO ハイブリッドナノ流体とテーパー WC は、(h/Δp) 比が向上し、二重管熱交換器の水熱特性が向上するため、良好な混合物と見なすことができます 29。数値モデルを使用して、DW30 に懸濁されたさまざまな三成分ハイブリッドナノ流体 (THNF) (Al2O3 + グラフェン + MWCNT) を有する熱交換器のエクセルゴ経済的環境効率を解決しました。ディンプル付きツイストタービュレーターインサート (DTTI) と (Al2O3 + グラフェン + MWCNT) の組み合わせが望まれていたのは、その性能評価基準 (PEC) が 1.42 ～ 2.35 の範囲にあったためです。

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>

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タービュレーターを取り付けた円管内の共有結合および非共有結合で官能化されたグラフェンナノプレートレットの熱水力学的分析