304 тот баспайтын болаттан жасалған ширатылған түтіктің химиялық компоненті, турбулаторлармен жабдықталған дөңгелек түтіктердегі ковалентті және ковалентті емес функционалдық графен нанопарақтарының термодинамикалық талдауы

Nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рахмет.Сіз шектеулі CSS қолдауы бар шолғыш нұсқасын пайдаланып жатырсыз.Ең жақсы тәжірибе үшін жаңартылған шолғышты пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer шолғышында үйлесімділік режимін өшіріңіз).Оған қоса, тұрақты қолдауды қамтамасыз ету үшін біз сайтты стильсіз және JavaScriptсіз көрсетеміз.
Әр слайдта үш мақаланы көрсететін слайдерлер.Слайдтар арқылы жылжу үшін артқа және келесі түймелерді немесе әр слайд бойынша жылжу үшін соңында слайд контроллері түймелерін пайдаланыңыз.

Қытайдағы 304 10*1мм баспайтын болаттан жасалған бұралған түтік

Өлшемі: 3/4 дюйм, 1/2 дюйм, 1 дюйм, 3 дюйм, 2 дюйм

Бірлік құбырының ұзындығы: 6 метр

Болат маркасы: 201, 304 ЖӘНЕ 316

Сынып: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,

Материал: тот баспайтын болат

Жағдайы: Жаңа

Ковалентті және ковалентті емес наносұйықтықтар 45° және 90° спираль бұрыштары бар бұралған таспа кірістірулерімен жабдықталған дөңгелек түтіктерде сыналған.Рейнольдс саны 7000 ≤ Re ≤ 17000 болды, термофизикалық қасиеттері 308 К бағаланды. Физикалық модель екі параметрлі турбулентті тұтқырлық моделін (SST k-omega турбуленттігі) қолдану арқылы сандық түрде шешіледі.Жұмыста ZNP-SDBS@DV және ZNP-COOH@DV наносұйықтықтарының концентрациясы (0,025 масса%, 0,05 масса және 0,1 масса%) қарастырылды.Бұрылған түтіктердің қабырғалары 330 К тұрақты температурада қызады. Ағымдағы зерттеуде алты параметр қарастырылды: шығыс температурасы, жылу беру коэффициенті, орташа Нусельт саны, үйкеліс коэффициенті, қысымның жоғалуы және өнімділікті бағалау критерийлері.Екі жағдайда да (45° және 90° спираль бұрышы) ZNP-SDBS@DV наносұйықтығы ZNP-COOH@DV-ге қарағанда жоғары термиялық-гидравликалық сипаттамалар көрсетті және ол массалық үлестің ұлғаюымен өсті, мысалы, 0,025 wt., және 0,05 масс.1,19 құрайды.% және 1,26 – 0,1 масс.%.Екі жағдайда да (спираль бұрышы 45° және 90°) GNP-COOH@DW пайдалану кезінде термодинамикалық сипаттамалардың мәндері 0,025% масса үшін 1,02, 0,05% масса үшін 1,05 құрайды.және 0,1% масса үшін 1,02.
Жылу алмастырғыш - салқындату және қыздыру операциялары кезінде жылуды беру үшін қолданылатын термодинамикалық құрылғы 1.Жылу алмастырғыштың жылу-гидравликалық қасиеттері жылу беру коэффициентін жақсартады және жұмыс сұйықтығының кедергісін төмендетеді.Жылу беруді жақсарту үшін бірнеше әдістер әзірленді, соның ішінде турбулентті күшейткіштер2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 және наносұйықтықтар12,13,14,15.Бұралған таспаны салу - техникалық қызмет көрсетудің қарапайымдылығы мен төмен құнының арқасында жылу алмастырғыштарда жылу беруді жақсартудың ең сәтті әдістерінің бірі7,16.
Эксперименттік және есептеулік зерттеулер сериясында бұралған таспа кірістірулері бар наносұйықтықтар мен жылу алмастырғыштар қоспаларының гидротермиялық қасиеттері зерттелді.Эксперименттік жұмыста үш түрлі металдық наносұйықтықтардың (Ag@DW, Fe@DW және Cu@DW) гидротермиялық қасиеттері инелі бұралған таспада (STT) жылу алмастырғышта зерттелді17.Негізгі құбырмен салыстырғанда СТТ жылу беру коэффициенті 11% және 67% жақсарды.SST схемасы α = β = 0,33 параметрімен тиімділік тұрғысынан экономикалық тұрғыдан ең жақсы болып табылады.Сонымен қатар, қысымның жоғалуының максималды өсуі тек 8,5% болғанымен, Ag@DW кезінде n-дің 18,2% артуы байқалды.Орамдық турбулаторлары бар және жоқ концентрлік құбырлардағы жылу берудің және қысымның жоғалуының физикалық процестері мәжбүрлі конвекциямен Al2O3@DW наносұйықтықтың турбулентті ағындары арқылы зерттелді.Максималды орташа Nusselt саны (Nuavg) және қысымның жоғалуы катушка қадамы = 25 мм және Al2O3@DW нано сұйықтығы 1,6 көлем% болғанда Re = 20 000 кезінде байқалады.Сондай-ақ, WC кірістірулері бар дөңгелек дерлік түтіктер арқылы ағып жатқан графен оксиді наносұйықтықтарының (GO@DW) жылу беру және қысымды жоғалту сипаттамаларын зерттеу үшін зертханалық зерттеулер жүргізілді.Нәтижелер 0,12 vol%-GO@DW конвективтік жылу беру коэффициентін шамамен 77%-ға арттырғанын көрсетті.Басқа эксперименттік зерттеуде наносұйықтықтар (TiO2@DW) бұралған таспа кірістірулерімен жабдықталған шұңқырлы түтіктердің жылу-гидравликалық сипаттамаларын зерттеу үшін әзірленді20.1,258 максималды гидротермиялық тиімділікке 3,0 бұрылу коэффициенті бар 45° көлбеу біліктерге енгізілген 0,15 vol%-TiO2@DW көмегімен қол жеткізілді.Бірфазалы және екі фазалы (гибридті) модельдеу модельдері әртүрлі қатты заттардың концентрацияларында (1–4% көлем.%)21 CuO@DW наносұйықтықтарының ағыны мен жылу беруін ескереді.Бір бұралған таспамен салынған түтіктің максималды жылулық тиімділігі 2,18, ал екі бұралған таспамен бірдей жағдайда салынған түтік 2,04 (екі фазалы модель, Re = 36 000 және 4 том%).Карбоксиметил целлюлозасының (ЦМС) және мыс оксидінің (CuO) Ньютондық емес турбулентті наносұйықтықтардың магистральдық құбырлардағы және бұралмалы кірістірулері бар құбырлардағы ағыны зерттелді.Nuavg 16,1% (магистральдық құбыр үшін) және 60% ((H/D = 5) қатынасы бар орамды құбыр үшін) жақсартуды көрсетеді.Әдетте, бұралу мен таспа арақатынасының төмен болуы үйкеліс коэффициентінің жоғары болуына әкеледі.Эксперименттік зерттеуде бұралған лентасы (ТТ) және катушкалар (VC) бар құбырлардың жылу беру және үйкеліс коэффициентінің қасиеттеріне әсері CuO@DW наносұйықтықтары арқылы зерттелді.0,3 томды пайдалану.Re = 20 000 кезінде %-CuO@DW VK-2 құбырындағы жылу беруді 44,45% максималды мәнге дейін арттыруға мүмкіндік береді.Сонымен қатар, бірдей шекаралық жағдайларда бұралған жұп кабельді және орамдық кірістіруді пайдаланған кезде, үйкеліс коэффициенті DW-мен салыстырғанда 1,17 және 1,19 есе артады.Тұтастай алғанда, катушкаларға енгізілген наносұйықтықтардың термиялық тиімділігі тізбекті сымдарға енгізілген наносұйықтықтарға қарағанда жақсырақ.Турбулентті (MWCNT@DW) наносұйықтық ағынының көлемдік сипаттамасы спиральды сымға енгізілген көлденең түтіктің ішінде зерттелді.Жылу өнімділігі параметрлері барлық жағдайлар үшін > 1 болды, бұл нанофлюидтердің катушка кірістіруімен үйлесуі сорғы қуатын тұтынбай жылу беруді жақсартатынын көрсетеді.Аннотация — Al2O3 + TiO2@DW наносұйықтықтың турбулентті ағыны жағдайында модификацияланған бұралған бұралған V-тәрізді таспадан (VcTT) жасалған әртүрлі кірістірулері бар екі құбырлы жылу алмастырғыштың гидротермиялық сипаттамалары зерттелді.Негізгі түтіктердегі DW-мен салыстырғанда, Nuavg 132% -ға және 55% -ға дейін үйкеліс коэффициентіне айтарлықтай жақсартуға ие.Сонымен қатар, екі құбырлы жылу алмастырғыштағы26 Al2O3+TiO2@DW нанокомпозитінің энергия тиімділігі талқыланды.Өз зерттеулерінде олар Al2O3 + TiO2@DW және TT пайдалану DW-мен салыстырғанда эксергия тиімділігін жақсартатынын анықтады.VcTT турбулаторлары бар концентрлік құбырлы жылу алмастырғыштарда Сингх және Саркар27 фазалық өзгерістер материалдарын (ПКМ), дисперсті бір/нанокомпозиттік наносұйықтықтарды (PCM және Al2O3 + PCM бар Al2O3@DW) пайдаланды.Олар бұралу коэффициенті азайған сайын және нанобөлшектердің концентрациясы жоғарылаған сайын жылу беру және қысым жоғалту өсетінін хабарлады.Үлкенірек V-кеңістіктік тереңдік коэффициенті немесе кішірек ені коэффициенті үлкен жылу беруді және қысымды жоғалтуды қамтамасыз етеді.Сонымен қатар, графен-платина (Gr-Pt) 2-TT28 кірістірулері бар түтіктердегі жылуды, үйкелісті және жалпы энтропия генерациясының жылдамдығын зерттеу үшін пайдаланылды.Олардың зерттеуі салыстырмалы түрде жоғары фрикциондық энтропияның дамуымен салыстырғанда (Gr-Pt) аз пайызы жылу энтропиясының түзілуін айтарлықтай төмендететінін көрсетті.Аралас Al2O3@MgO наносұйықтықтары мен конустық WC жақсы қоспа ретінде қарастырылуы мүмкін, өйткені жоғарылатылған қатынас (h/Δp) екі құбырлы жылу алмастырғыштың гидротермиялық өнімділігін жақсарта алады 29 .Сандық модель DW30-да тоқтатылған әртүрлі үш бөлікті гибридті наносұйықтықтары (THNF) (Al2O3 + графен + MWCNT) бар жылу алмастырғыштардың энергияны үнемдейтін және қоршаған ортаны қорғау өнімділігін бағалау үшін қолданылады.1,42–2,35 аралығындағы өнімділікті бағалау критерийлеріне (PEC) байланысты, қысылған бұралған турбулизатор кірістіру (DTTI) және (Al2O3 + Graphene + MWCNT) комбинациясы қажет.
Осы уақытқа дейін термиялық сұйықтықтардағы гидродинамикалық ағындағы ковалентті және ковалентті емес функционализацияның рөліне аз көңіл бөлінді.Бұл зерттеудің нақты мақсаты спираль бұрыштары 45° және 90° болатын бұралған таспа кірістірулеріндегі (ZNP-SDBS@DV) және (ZNP-COOH@DV) наносұйықтықтардың жылу-гидравликалық сипаттамаларын салыстыру болды.Термофизикалық қасиеттер Tin = 308 K кезінде өлшенді. Бұл жағдайда салыстыру процесінде үш массалық үлес ескерілді, мысалы (0,025 масса%, 0,05 масса% және 0,1 масса%).Жылулық-гидравликалық сипаттамаларды шешу үшін 3D турбулентті ағын үлгісіндегі ығысу кернеуінің берілуі (SST k-ω) қолданылады.Осылайша, бұл зерттеу оң қасиеттерді (жылу беру) және теріс қасиеттерді (үйкеліс кезінде қысымның төмендеуі) зерттеуге айтарлықтай үлес қосады, жылу-гидравликалық сипаттамаларды және осындай инженерлік жүйелердегі нақты жұмыс сұйықтарын оңтайландыруды көрсетеді.
Негізгі конфигурация - тегіс құбыр (L = 900 мм және Dh = 20 мм).Енгізілген бұралған таспаның өлшемдері (ұзындығы = 20 мм, қалыңдығы = 0,5 мм, профиль = 30 мм).Бұл жағдайда спираль профилінің ұзындығы, ені және инсульті тиісінше 20 мм, 0,5 мм және 30 мм болды.Бұралған таспалар 45° және 90° көлбеу.DW, коваленттік емес наносұйықтықтар (GNF-SDBS@DW) және коваленттік наносұйықтықтар (GNF-COOH@DW) сияқты әртүрлі жұмыс сұйықтықтары Tin = 308 К, үш түрлі массалық концентрациялар және әртүрлі Рейнольдс сандары.Сынақтар жылу алмастырғыштың ішінде жүргізілді.Жылу беруді жақсарту параметрлерін тексеру үшін спиральды түтіктің сыртқы қабырғасы 330 К тұрақты бет температурасында қыздырылды.
Суретте.1 схемалық түрде бұралған таспа кірістіру түтігінің қолданыстағы шекаралық шарттары мен торлы алаңы бар.Бұрын айтылғандай, жылдамдық пен қысымның шекаралық шарттары спиральдың кіріс және шығыс бөліктеріне қолданылады.Тұрақты бет температурасы кезінде құбыр қабырғасына сырғанамайтын жағдай орнатылады.Ағымдағы сандық модельдеу қысымға негізделген шешімді пайдаланады.Бұл ретте соңғы көлем әдісін (FMM) пайдалана отырып, ішінара дифференциалдық теңдеуді (PDE) алгебралық теңдеулер жүйесіне түрлендіру үшін бағдарлама (ANSYS FLUENT 2020R1) қолданылады.Екінші ретті ҚАРАПАЙЫМ әдісі (тізбекті қысымға тәуелді теңдеулер үшін жартылай жасырын әдіс) жылдамдық-қысымға қатысты.Масса, импульс және энергия теңдеулері үшін қалдықтардың жинақтылығы сәйкесінше 103 және 106-дан аз екенін атап өткен жөн.
p Физикалық және есептеу облыстарының диаграммасы: (а) бұрандалы бұрыш 90°, (б) спирал бұрышы 45°, (c) бұрандалы қалақсыз.
Наносұйықтықтардың қасиеттерін түсіндіру үшін біртекті модель қолданылады.Наноматериалдарды негізгі сұйықтыққа (DW) қосу арқылы тамаша термиялық қасиеттері бар үздіксіз сұйықтық пайда болады.Осыған байланысты негізгі сұйықтық пен наноматериалдың температурасы мен жылдамдығы бірдей мәнге ие.Жоғарыда келтірілген теориялар мен болжамдарға байланысты бұл зерттеуде тиімді бір фазалы ағын жұмыс істейді.Бірнеше зерттеулер наносұйықтық ағыны үшін бір фазалы әдістердің тиімділігі мен қолданылуын көрсетті31,32.
Наносұйықтықтардың ағыны Ньютондық турбулентті, сығылмайтын және стационарлық болуы керек.Бұл зерттеуде сығымдау жұмыстары және тұтқыр қыздыру маңызды емес.Сонымен қатар, құбырдың ішкі және сыртқы қабырғаларының қалыңдығы ескерілмейді.Демек, жылу моделін анықтайтын масса, импульс және энергияның сақталу теңдеулерін келесі түрде көрсетуге болады:
мұндағы \(\overrightarrow{V}\) - орташа жылдамдық векторы, Keff = K + Kt - ковалентті және ковалентті емес наносұйықтықтардың тиімді жылу өткізгіштігі, ε - энергияның таралу жылдамдығы.Кестеде көрсетілген тығыздық (ρ), тұтқырлық (μ), меншікті жылу сыйымдылығы (Cp) және жылу өткізгіштік (k) қоса алғанда, наносұйықтықтардың тиімді термофизикалық қасиеттері қолданылған кезде 308 К1 температурада эксперименталды зерттеу кезінде өлшенді. осы симуляторларда.
Кәдімгі және TT түтіктеріндегі турбулентті наносұйықтық ағынының сандық модельдеулері 7000 ≤ Re ≤ 17000 Рейнольдс нөмірлерінде орындалды. Бұл модельдеу және конвективті жылу беру коэффициенттері Ментордың κ-ω ығысу кернеуінің орташа турбуленттігінен асып түсетін турбуленттілік моделі арқылы талданды. аэродинамикалық зерттеулерде жиі қолданылатын Navier-Stokes моделі.Сонымен қатар, модель қабырға функциясынсыз жұмыс істейді және 35,36 қабырғаларының жанында дәл.(SST) κ-ω турбуленттілік моделінің басқарушы теңдеулері келесідей:
мұндағы \(S\) - деформация жылдамдығының мәні, ал \(y\) - іргелес бетке дейінгі қашықтық.Сонымен қатар, \({\альфа}_{1}\), \({\альфа}_{2}\), \({\бета}_{1}\), \({\бета}_{ 2 }\), \({\beta}^{*}\), \({\sigma}_{{k}_{1}}\), \({\sigma}_{{k}_{ 2 }}\), \({\sigma}_{{\omega}_{1}}\) және \({\sigma}_{{\omega}_{2}}\) барлық үлгі тұрақтыларын білдіреді.F1 және F2 - аралас функциялар.Ескерту: шекаралық қабатта F1 = 1, келе жатқан ағында 0.
Тиімділікті бағалау параметрлері турбулентті конвективті жылу алмасуды, ковалентті және ковалентті емес наносұйықтық ағынын зерттеу үшін пайдаланылады, мысалы31:
Бұл контексте тығыздық, сұйықтық жылдамдығы үшін (\(\rho\)), (\(v\)), (\({D}_{h}\)) және (\(\mu\)) пайдаланылады. , гидравликалық диаметр және динамикалық тұтқырлық.(\({C}_{p}\, \mathrm{u}\, k\)) – ағып жатқан сұйықтықтың меншікті жылу сыйымдылығы және жылу өткізгіштігі.Сондай-ақ, (\(\dot{m}\)) массалық ағынды білдіреді, ал (\({T}_{out}-{T}_{in}\)) кіріс және шығыс температура айырмашылығын білдіреді.(NFs) ковалентті, ковалентті емес наносұйықтықтарды, ал (DW) тазартылған суды (негізгі сұйықтық) білдіреді.\({A}_{s} = \pi DL\), \({\overline{T}}_{f}=\frac{\left({T}_{шығатын}-{T}_{in) }\right)}{2}\) және \({\overline{T}}_{w}=\sum \frac{{T}_{w}}{n}\).
Негізгі сұйықтықтың (DW), ковалентті емес наносұйықтықтың (GNF-SDBS@DW) және коваленттік наносұйықтықтың (GNF-COOH@DW) термофизикалық қасиеттері жарияланған әдебиеттерден алынды (эксперименттік зерттеулер), Sn = 308 К, 134-кестеде көрсетілген. Әдеттегі тәжірибеде белгілі массалық пайыздары бар ковалентті емес (GNP-SDBS@DW) наносұйықтықты алу бойынша экспериментте бастапқы ЖҰӨ-нің белгілі бір граммдары бастапқыда цифрлық таразыда өлшенді.SDBS/жергілікті ЖҰӨ салмағының арақатынасы DW-де өлшенген (0,5:1).Бұл жағдайда HNO3 және H2SO4 көлемдік қатынасы (1:3) бар күшті қышқылдық ортаны пайдаланып, ЖҰӨ бетіне карбоксил топтарын қосу арқылы ковалентті (COOH-GNP@DW) наносұйықтықтар синтезделді.Ковалентті және ковалентті емес наносұйықтықтар DW-де массаның 0,025%, массасының 0,05% сияқты үш түрлі салмақ пайызында тоқтатылды.және массаның 0,1%.
Тор өлшемі симуляцияға әсер етпейтініне көз жеткізу үшін тордың тәуелсіздігі сынақтары төрт түрлі есептеу аймағында жүргізілді.45° бұралу құбыры жағдайында өлшем бірлігі 1,75 мм бірлік саны 249 033 бірлік, өлшемі 2 мм бірлік бірлік саны 307 969 бірлік, 2,25 мм бірлік бірлік саны 421 406 бірлік, бірлік саны. өлшем бірлігімен 2 ,5 мм сәйкесінше 564 940.Сонымен қатар, 90° бұралған құбыр мысалында 1,75 мм элемент өлшемі бар элементтер саны 245 531, 2 мм элемент өлшемі бар элементтер саны 311 584, 2,25 мм элемент өлшемі бар элементтер саны. 422 708, ал элемент өлшемі 2,5 мм болатын элементтер саны тиісінше 573 826.(Tout, htc және Nuavg) сияқты жылу қасиеті көрсеткіштерінің дәлдігі элементтер саны азайған сайын артады.Сонымен қатар, үйкеліс коэффициенті мен қысымның төмендеуі мәндерінің дәлдігі мүлдем басқа мінез-құлықты көрсетті (2-сурет).Модельдік жағдайда жылу-гидравликалық сипаттамаларды бағалау үшін негізгі тор аймағы ретінде тор (2) пайдаланылды.
45° және 90° бұралған DW түтіктерінің жұптарын пайдаланып, торға тәуелсіз жылу беру және қысымның төмендеуі өнімділігін тексеру.
Осы сандық нәтижелер Дитус-Бельтер, Петухов, Гнелинский, Ноттер-Руз және Бласиус сияқты белгілі эмпирикалық корреляциялар мен теңдеулерді пайдалана отырып, жылу беру өнімділігі мен үйкеліс коэффициенті үшін тексерілді.Салыстыру 7000≤Re≤17000 шарты бойынша жүргізілді.Суретке сәйкес.3, модельдеу нәтижелері мен жылу беру теңдеуі арасындағы орташа және максималды қателер 4,050 және 5,490% (Диттус-Белтер), 9,736 және 11,33% (Петухов), 4,007 және 7,483% (Гнелинский), 3,883% және 49% құрайды. Нотт-Бельтер).Роза).Бұл жағдайда модельдеу нәтижелері мен үйкеліс коэффициенті теңдеуі арасындағы орташа және максималды қателер сәйкесінше 7,346% және 8,039% (Бласиус) және 8,117% және 9,002% (Петухов) құрайды.
Сандық есептеулер мен эмпирикалық корреляцияларды пайдалана отырып, әртүрлі Рейнольдс сандарындағы DW жылу беру және гидродинамикалық қасиеттері.
Бұл бөлімде үш түрлі массалық үлестердегі ковалентті емес (LNP-SDBS) және ковалентті (LNP-COOH) сулы наносұйықтықтардың жылулық қасиеттері және негізгі сұйықтыққа (DW) қатысты орташа мәндер ретінде Рейнольдс сандары қарастырылады.7000 ≤ Re ≤ 17000 үшін ширатылған белдік жылу алмастырғыштардың екі геометриясы (45° және 90° спираль бұрышы) қарастырылған. Суретте.4 наносұйықтықтың негізгі сұйықтыққа (DW) шығуындағы орташа температураны көрсетеді (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{ DW } } \) ) кезінде (0,025% масса, 0,05% және 0,1% масса).(\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) әрқашан 1-ден аз, яғни шығыс температурасы ковалентті емес (VNP-SDBS) және ковалентті (VNP-COOH) наносұйықтықтар негізгі сұйықтықтың шығысындағы температурадан төмен.Ең төменгі және ең жоғары төмендеулер сәйкесінше 0,1 масса%-COOH@GNPs және 0,1 wt%-SDBS@GNPs болды.Бұл құбылыс наносұйықтық қасиеттерінің (яғни тығыздық пен динамикалық тұтқырлықтың) өзгеруіне әкелетін тұрақты массалық үлесте Рейнольдс санының артуына байланысты.
5 және 6-суреттерде (0,025 масса%, 0,05 масса% және 0,1 масса%) наносұйықтықтың негізгі сұйықтыққа (ҚҚ) орташа жылу беру сипаттамалары көрсетілген.Орташа жылу беру қасиеттері әрқашан 1-ден жоғары, бұл ковалентті емес (LNP-SDBS) және ковалентті (LNP-COOH) наносұйықтықтардың жылу беру қасиеттері негізгі сұйықтықпен салыстырғанда күшейтілгенін білдіреді.0,1 wt%-COOH@GNPs және 0,1 wt%-SDBS@GNPs сәйкесінше ең төменгі және ең жоғары өсімге қол жеткізді.1-құбырдағы сұйықтықтың көп араласуы мен турбуленттілікке байланысты Рейнольдс саны артқанда, жылу беру өнімділігі жақсарады.Кішкентай саңылаулар арқылы өтетін сұйықтықтар жоғары жылдамдықтарға жетеді, нәтижесінде жылдамдық/жылудың шекаралық қабаты жұқа болады, бұл жылу беру жылдамдығын арттырады.Негізгі сұйықтыққа көбірек нанобөлшектерді қосу оң және теріс нәтижелерге әкелуі мүмкін.Пайдалы әсерлерге нанобөлшектердің соқтығысуының жоғарылауы, сұйықтықтың жылу өткізгіштігіне қолайлы талаптар және жақсартылған жылу беру кіреді.
45° және 90° түтіктер үшін Рейнольдс санына байланысты наносұйықтықтың негізгі сұйықтыққа жылу беру коэффициенті.
Сонымен қатар, теріс әсер наносұйықтықтың динамикалық тұтқырлығының жоғарылауы болып табылады, ол наносұйықтықтың қозғалғыштығын төмендетеді, осылайша орташа Nusselt санын (Nuavg) төмендетеді.Наносұйықтықтардың (ZNP-SDBS@DW) және (ZNP-COOH@DW) жоғары жылу өткізгіштігі DW37-де суспензияланған графен нанобөлшектерінің броундық қозғалысы мен микроконвекциясына байланысты болуы керек.Наносұйықтықтың (ZNP-COOH@DV) жылу өткізгіштігі наносұйықтыққа (ZNP-SDBS@DV) және тазартылған суға қарағанда жоғары.Негізгі сұйықтыққа қосымша наноматериалдарды қосу олардың жылу өткізгіштігін арттырады (1-кесте)38.
7-суретте наносұйықтықтардың негізгі сұйықтықпен (DW) (f(NFs)/f(DW)) орташа үйкеліс коэффициенті массалық пайызбен (0,025%, 0,05% және 0,1%) көрсетілген.Орташа үйкеліс коэффициенті әрқашан ≈1 болады, бұл ковалентті емес (GNF-SDBS@DW) және ковалентті (GNF-COOH@DW) наносұйықтықтардың негізгі сұйықтықпен бірдей үйкеліс коэффициентіне ие екенін білдіреді.Кеңістігі аз жылу алмастырғыш ағынға көбірек кедергі жасайды және ағынның үйкелісін арттырады1.Негізінен, үйкеліс коэффициенті наносұйықтықтың массалық үлесі артқан сайын аздап артады.Жоғары үйкеліс шығындары наносұйықтықтың динамикалық тұтқырлығының жоғарылауымен және негізгі сұйықтықтағы нанографеннің массалық үлесі жоғары беттегі ығысу кернеуінің жоғарылауымен байланысты.(1) кестеде наносұйықтықтың динамикалық тұтқырлығы (ZNP-SDBS@DV) наносұйықтықтан (ZNP-COOH@DV) бірдей салмақ пайызында жоғары екенін көрсетеді, бұл беттік әсерлердің қосылуымен байланысты.ковалентті емес наносұйықтықтағы белсенді агенттер.
Суретте.8 негізгі сұйықтықпен (DW) (\(\frac{{\Delta P}_{NFs}}{{\Delta P}_{DW}}\)) салыстырғанда (0,025%, 0,05% және 0,1%) наносұйықтықты көрсетеді ).Ковалентті емес (GNPs-SDBS@DW) наносұйықтық орташа қысымның жоғары жоғалуын көрсетті және массалық пайыздың 0,025% масса үшін 2,04%, 0,05% масса үшін 2,46% ұлғаюымен.және 0,1% масса үшін 3,44%.корпусты үлкейтумен (бұрыш бұрышы 45° және 90°).Сонымен қатар, наносұйықтық (GNPs-COOH@DW) салмағының 0,025% кезінде 1,31%-дан ұлғайып, орташа қысымның төмен жоғалуын көрсетті.0,05% масса бойынша 1,65% дейін.0,05 масса%-COOH@NP және 0,1 масса%-COOH@NP қысымының орташа жоғалуы 1,65% құрайды.Көріп отырғанымыздай, қысымның төмендеуі барлық жағдайларда Re санының өсуімен артады.Жоғары Re мәндеріндегі қысымның төмендеуі көлемдік ағынға тікелей тәуелділікпен көрсетіледі.Сондықтан түтіктегі Re саны жоғарырақ қысымның төмендеуіне әкеледі, бұл сорғы қуатын арттыруды талап етеді39,40.Сонымен қатар, қысымның жоғалуы құйындылардың қарқындылығының жоғары болуына және беттің үлкен ауданы тудыратын турбуленттілікке байланысты жоғары болады, бұл шекаралық қабаттағы қысым мен инерция күштерінің өзара әрекеттесуін арттырады1.
Жалпы, ковалентті емес (VNP-SDBS@DW) және ковалентті (VNP-COOH@DW) наносұйықтықтардың өнімділігін бағалау критерийлері (PEC) суретте көрсетілген.9. Нанофлюид (ZNP-SDBS@DV) екі жағдайда да (ZNP-COOH@DV) қарағанда жоғары PEC мәндерін көрсетті (спирал бұрышы 45° және 90°) және ол массалық үлесті арттыру арқылы жақсартылды, мысалы, 0,025 масс.%.1,17 құрайды, 0,05 масс.% - 1,19 және 0,1 масс.% - 1,26.Сонымен қатар, наносұйықтықтарды (GNPs-COOH@DW) пайдаланатын PEC мәндері 0,025 масса% үшін 1,02, 0,05 масса% үшін 1,05, 0,1 масса% үшін 1,05 болды.екі жағдайда да (спираль бұрышы 45° және 90°).1.02.Әдетте, Рейнольдс санының ұлғаюымен жылу-гидравликалық тиімділік айтарлықтай төмендейді.Рейнольдс саны артқан сайын жылу-гидравликалық тиімділік коэффициентінің төмендеуі жүйелі түрде (NuNFs/NuDW) ұлғаюымен және (fNFs/fDW) төмендеуімен байланысты.
45° және 90° бұрыштары бар түтіктер үшін Рейнольдс сандарына байланысты негізгі сұйықтықтарға қатысты наносұйықтықтардың гидротермиялық қасиеттері.
Бұл бөлімде үш түрлі массалық концентрациялар мен Рейнольдс сандарындағы судың (DW), ковалентті емес (VNP-SDBS@DW) және ковалентті (VNP-COOH@DW) наносұйықтықтардың жылулық қасиеттері талқыланады.Орташа жылу-гидравликалық өнімділікті бағалау үшін кәдімгі құбырларға (45° және 90° бұралмалы бұрыштар) қатысты 7000 ≤ Re ≤ 17000 диапазонында екі орамды таспалы жылу алмастырғыш геометриясы қарастырылды.Суретте.10 жалпы құбыр үшін (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{) розеткадағы судың және наносұйықтықтардың температурасын орташа есеппен (бұралмалы бұрыш 45° және 90°) көрсетеді. {T} _{out}}_{Regullar}}\)).Ковалентті емес (GNP-SDBS@DW) және ковалентті (GNP-COOH@DW) наносұйықтықтардың салмағы 0,025%, 0,05% және 0,1 масса сияқты үш түрлі салмақтық фракциялары бар.Суретте көрсетілгендей.11, шығыс температурасының орташа мәні (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{{T}_{out}}_{Plain}}\)) > 1, (45° және 90° спираль бұрышы) жылу алмастырғыштың шығысындағы температура турбуленттіліктің үлкен қарқындылығына және сұйықтықтың жақсы араласуына байланысты әдеттегі құбырға қарағанда маңыздырақ екенін көрсетеді.Сонымен қатар, DW, ковалентті емес және коваленттік наносұйықтықтардың шығуындағы температура Рейнольдс санының жоғарылауымен төмендеді.Негізгі сұйықтықтың (DW) ең жоғары орташа шығыс температурасы бар.Сонымен қатар, ең төменгі мән 0,1 масса%-SDBS@GNPs құрайды.Ковалентті емес (GNPs-SDBS@DW) наносұйықтықтар ковалентті (GNPs-COOH@DW) наносұйықтықтармен салыстырғанда төменгі орташа шығу температурасын көрсетті.Бұралған таспа ағын өрісін көбірек араластыратындықтан, қабырғаға жақын жылу ағыны сұйықтық арқылы оңай өтіп, жалпы температураны арттырады.Төменірек бұралу мен таспа арақатынасы жақсы енуге және осылайша жақсы жылу алмасуға әкеледі.Екінші жағынан, прокат таспаның қабырғаға қарсы төмен температураны сақтайтынын көруге болады, бұл өз кезегінде Нуавгты арттырады.Бұралған таспа кірістірулері үшін жоғары Nuavg мәні түтік ішіндегі конвективтік жылу берудің жақсарғанын көрсетеді22.Ағын жолының ұлғаюына және қосымша араластыру мен турбуленттілікке байланысты тұру уақыты артады, нәтижесінде сұйықтықтың шығатын жердегі температурасы артады41.
Кәдімгі түтіктердің шығыс температурасына (45° және 90° спираль бұрыштары) қатысты әртүрлі наносұйықтықтардың Рейнольдс сандары.
Кәдімгі түтіктермен салыстырғанда әртүрлі наносұйықтықтар үшін Рейнольдс сандарымен салыстырғанда жылу беру коэффициенттері (45° және 90° спираль бұрышы).
Күшейтілген орамды таспаның жылу беруінің негізгі механизмі келесідей: 1. Жылу алмасу түтігінің гидравликалық диаметрін азайту ағын жылдамдығы мен қисықтықтың ұлғаюына әкеледі, бұл өз кезегінде қабырғадағы ығысу кернеуін арттырады және екінші реттік қозғалысқа ықпал етеді.2. Орамдық таспаның бітелуіне байланысты құбыр қабырғасындағы жылдамдық артады, ал шекаралық қабаттың қалыңдығы азаяды.3. Бұралған белдіктің артындағы спиральды ағын жылдамдықтың артуына әкеледі.4. Индукцияланған құйындар ағынның орталық және қабырғаға жақын аймақтары арасындағы сұйықтықтың араласуын жақсартады42.Суретте.11 және сур.12 әдеттегі түтіктермен салыстырғанда бұралған таспа кірістіру түтіктерін пайдалану арқылы орташа мәндер ретінде DW және наносұйықтықтардың жылу беру қасиеттерін көрсетеді, мысалы (жылу беру коэффициенті және орташа Нусельт саны).Ковалентті емес (GNP-SDBS@DW) және ковалентті (GNP-COOH@DW) наносұйықтықтардың салмағы 0,025%, 0,05% және 0,1 масса сияқты үш түрлі салмақтық фракциялары бар.Екі жылу алмастырғышта да (45° және 90° спираль бұрышы) орташа жылу беру өнімділігі >1 құрайды, бұл кәдімгі түтіктермен салыстырғанда, ширатылған түтіктермен жылу беру коэффициентінің және орташа Nusselt санының жақсарғанын көрсетеді.Ковалентті емес (GNPs-SDBS@DW) наносұйықтықтар ковалентті (GNPs-COOH@DW) наносұйықтықтарға қарағанда орташа жылу берудің жоғарылауын көрсетті.Re = 900 кезінде екі жылу алмастырғыш (45° және 90° спираль бұрышы) үшін жылу беру өнімділігінің -SDBS@GNPs 0,1 wt% жақсаруы 1,90 мәнімен ең жоғары болды.Бұл сұйықтық жылдамдығының төмендеуі (Рейнольдс саны)43 және турбуленттілік қарқындылығының жоғарылауында біркелкі ТП әсері маңыздырақ екенін білдіреді.Бірнеше құйындылардың енгізілуіне байланысты ТТ түтіктерінің жылу беру коэффициенті мен орташа Нусельт саны әдеттегі түтіктерге қарағанда жоғары, нәтижесінде шекаралық қабат жұқа болады.НР болуы турбуленттілік қарқындылығын, жұмыс сұйықтығы ағындарын араластыруды және негізгі құбырлармен салыстырғанда (бұралған лентаны салмастан) жақсартылған жылу беруді арттырады ма21.
Кәдімгі түтіктермен салыстырғанда әртүрлі наносұйықтықтар үшін орташа Nusselt саны (спирал бұрышы 45° және 90°) Рейнольдс санына қарсы.
13 және 14-суреттерде үйкелістің орташа коэффициенті (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain}}\)) және қысымның жоғалуы (\(\frac{{\Delta P}) көрсетілген. _ {Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\}} DW наносұйықтықтарды пайдаланатын кәдімгі құбырлар үшін шамамен 45° және 90°, (GNPs-SDBS@DW) және (GNPs-COOH@DW) ион алмастырғыш (0,025 масса %, ​​0,05 масса % және 0,1 масса %). { {f}_{Тегіс} }\)) және қысымның жоғалуы (\(\frac{{ \Delta P}_{Twisted}}{{\Delta P) }_{Plain}}\}) төмендеуі.жағдайлар, үйкеліс коэффициенті мен қысымның жоғалуы төменгі Рейнольдс сандарында жоғарырақ Орташа үйкеліс коэффициенті мен қысымның жоғалуы 3,78 және 3,12 арасында Орташа үйкеліс коэффициенті мен қысым жоғалуы (45° спираль) көрсетеді. бұрышы және 90°) жылу алмастырғыштың құны кәдімгі құбырларға қарағанда үш есе жоғары.Сонымен қатар, жұмыс сұйықтығы жоғары жылдамдықпен ағып жатқанда, үйкеліс коэффициенті төмендейді.Мәселе туындайды, себебі Рейнольдс саны артқан сайын шекаралық қабаттың қалыңдығы артады. төмендейді, бұл әсер ету аймағына динамикалық тұтқырлықтың әсерінің төмендеуіне, жылдамдық градиенттерінің және ығысу кернеулерінің төмендеуіне және сәйкесінше, үйкеліс коэффициентінің төмендеуіне әкеледі21.ТТ бар болуына байланысты жақсартылған блоктау әсері және бұралудың жоғарылауы базалық құбырларға қарағанда гетерогенді ТТ құбырлары үшін қысымның айтарлықтай жоғары жоғалуына әкеледі.Сонымен қатар, негізгі құбыр үшін де, ТТ құбыры үшін де жұмыс сұйықтығының жылдамдығымен қысымның төмендеуі арта түсетінін көруге болады43.
Кәдімгі түтіктермен салыстырғанда әртүрлі наносұйықтықтар үшін Рейнольдс санына қарсы үйкеліс коэффициенті (45° және 90° спираль бұрышы).
Кәдімгі түтікке қатысты әртүрлі наносұйықтықтар үшін Рейнольдс санының функциясы ретінде қысымның жоғалуы (45° және 90° спираль бұрышы).
Қорытындылай келе, 15-суретте қарапайым түтіктермен салыстырғанда 45° және 90° бұрыштары бар жылу алмастырғыштар үшін өнімділікті бағалау критерийлері (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}} \ ) ) DV, (VNP-SDBS@DV) және ковалентті (VNP-COOH@DV) наносұйықтықтарды пайдалану арқылы (0,025 масса%, 0,05 масса% және 0,1 масса%).Жылу алмастырғыштағы мән (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) > 1 екі жағдайда да (45° және 90° спираль бұрышы).Сонымен қатар, (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) Re = 11,000 кезінде ең жақсы мәнге жетеді.90° жылу алмастырғыш 45° жылу алмастырғышпен салыстырғанда (\ (\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) шамалы өсуді көрсетеді., Re = 11,000 кезінде 0,1 wt%-GNPs@SDBS жоғарырақ (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) мәндерді білдіреді, мысалы, 45° жылу алмастырғыш бұрышы үшін 1,25 және 90° бұрыштық жылу алмастырғыш үшін 1,27.Ол массалық үлестің барлық пайызында бірден үлкен, бұл бұралған таспа кірістірулері бар құбырлардың әдеттегі құбырлардан жоғары екенін көрсетеді.Атап айтқанда, таспа кірістіру арқылы қамтамасыз етілген жақсартылған жылу беру үйкеліс жоғалтуларының айтарлықтай өсуіне әкелді22.
Кәдімгі түтіктерге (45° және 90° спираль бұрышы) қатысты әртүрлі наносұйықтықтардың Рейнольдс санының тиімділік критерийлері.
А қосымшасында DW, 0,1 масса%-GNP-SDBS@DW және 0,1 салмақ%-GNP-COOH@DW пайдалана отырып, Re = 7000 кезінде 45° және 90° жылу алмастырғыштарға арналған сызбалар көрсетілген.Көлденең жазықтықтағы ағынды сызықтар бұралған таспа кірістірулерінің негізгі ағынға әсерінің ең таңқаларлық ерекшелігі болып табылады.45° және 90° жылу алмастырғыштарды пайдалану қабырғаға жақын аймақтағы жылдамдықтың шамамен бірдей екенін көрсетеді.Сонымен қатар, В қосымшасында DW, 0,1 масса%-GNP-SDBS@DW және 0,1 масса%-GNP-COOH@DW көмегімен Re = 7000 кезінде 45° және 90° жылу алмастырғыштар үшін жылдамдық контурлары көрсетілген.Жылдамдық ілмектері үш түрлі жерде (кесімде) болады, мысалы, Plain-1 (P1 = -30мм), Plain-4 (P4 = 60мм) және Plain-7 (P7 = 150мм).Құбыр қабырғасының жанындағы ағынның жылдамдығы ең аз, ал сұйықтық жылдамдығы құбырдың ортасына қарай артады.Сонымен қатар, ауа құбыры арқылы өткенде, қабырғаға жақын төмен жылдамдықтардың ауданы артады.Бұл гидродинамикалық шекаралық қабаттың өсуіне байланысты, бұл қабырғаға жақын орналасқан төмен жылдамдықты аймақтың қалыңдығын арттырады.Сонымен қатар, Рейнольдс санын көбейту барлық көлденең қималардағы жалпы жылдамдық деңгейін арттырады, осылайша арнадағы төмен жылдамдық аймағының қалыңдығын азайтады39.
Ковалентті және ковалентті емес функционалдық графен нанопарақтары 45° және 90° спираль бұрыштары бар бұралған таспа кірістірулерде бағаланды.Жылуалмастырғыш 7000 ≤ Re ≤ 17000 кезінде SST k-omega турбуленттік моделін қолдану арқылы сандық түрде шешіледі. Термофизикалық қасиеттер Tin = 308 К кезінде есептеледі. Бір уақытта бұралған түтік қабырғасын 330 К тұрақты температурада қыздырыңыз. COOH@DV) үш массалық мөлшерде сұйылтылған, мысалы (0,025 масса%, 0,05 масса% және 0,1 масса%).Ағымдағы зерттеу алты негізгі факторды қарастырды: шығыс температурасы, жылу беру коэффициенті, орташа Nusselt саны, үйкеліс коэффициенті, қысымның жоғалуы және өнімділікті бағалау критерийлері.Міне, негізгі тұжырымдар:
Шығудың орташа температурасы (\({{T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) әрқашан 1-ден төмен, яғни таралмаған Валенттілік (ZNP-SDBS@DV) және коваленттік (ZNP-COOH@DV) наносұйықтықтардың шығу температурасы негізгі сұйықтықтың температурасынан төмен.Сонымен қатар, шығыстың орташа температурасы (\({{T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\)) мәні > 1, (45° және 90° спираль бұрышы) шығу температурасы әдеттегі түтіктерге қарағанда жоғары.
Екі жағдайда да жылу беру қасиеттерінің (наносұйықтық/негізгі сұйықтық) және (бұралған түтік/қалыпты түтік) орташа мәндері әрқашан >1 көрсетеді.Ковалентті емес (GNPs-SDBS@DW) наносұйықтықтар ковалентті (GNPs-COOH@DW) наносұйықтықтарға сәйкес жылу берудің жоғарырақ орташа өсімін көрсетті.
Ковалентті емес (VNP-SDBS@DW) және ковалентті (VNP-COOH@DW) наносұйықтықтардың орташа үйкеліс коэффициенті (\({f}_{Nanofluids}/{f}_{Basfluid}\)) әрқашан ≈1 болады. .ковалентті емес (ZNP-SDBS@DV) және ковалентті (ZNP-COOH@DV) наносұйықтықтардың (\({f}_{Twisted}/{f}_{Plain}\)) үйкелісі әрқашан > 3.
Екі жағдайда да (45° және 90° спираль бұрышы) наносұйықтықтар (GNPs-SDBS@DW) жоғарырақ болды (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) 0,025 2,04% үшін масса .%, 2,46% үшін 0,05 мас.% және 3,44% үшін 0,1 мас.%.Сонымен қатар, (GNPs-COOH@DW) наносұйықтықтар төменірек көрсетті (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) 1,31%-дан 0,025 масс.% үшін 1,65%-ға дейін 0,05 құрайды. салмағы бойынша %.Сонымен қатар, ковалентті емес (GNPs-SDBS@DW) және ковалентті (GNPs-COOH@DW) қысымның орташа жоғалуы (\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\) ))) наносұйықтықтар әрқашан >3.
Екі жағдайда да (45° және 90° спираль бұрыштары) наносұйықтықтар (GNPs-SDBS@DW) жоғарырақ (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC} _{Basfluid}\)) @DW мәні) көрсетті. , мысалы, 0,025 масс.% – 1,17, 0,05 масс.% – 1,19, 0,1 масс.% – 1,26.Бұл жағдайда (GNPs-COOH@DW) наносұйықтықтарды пайдаланатын (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\)) мәндері 0,025 масс.% үшін 1,02, 0 үшін 1,05 болады. , 05 масс.% және 1,02 салмағы бойынша 0,1% құрайды.Сонымен қатар, Re = 11,000 кезінде 0,1 wt%-GNPs@SDBS жоғары мәндерді көрсетті (\({PEC}_{Twisted}/{PEC}_{Plain}\)), мысалы, 45° спираль бұрышы үшін 1,25 және 90° спираль бұрышы 1,27.
Thianpong, C. et al.Жылу алмастырғыштағы наносұйықтық титан диоксиді/су ағынын көп мақсатты оңтайландыру, үшбұрышты қанаттары бар бұралған таспа кірістірулері арқылы жақсартылған.ішкі J. Ыстық.ғылым.172, 107318 (2022 ж.).
Langerudi, HG және Jawaerde, C. Әдеттегі және V-тәрізді бұралған таспалармен салынған сильфондардағы Ньютондық емес сұйықтық ағынын эксперименттік зерттеу.Жылу және масса алмасу 55, 937–951 (2019).
Донг, X. және т.б.Спиральды бұралған құбырлы жылуалмастырғыштың жылу беру сипаттамалары мен ағын кедергісін эксперименттік зерттеу [J].Қолдану температурасы.жоба.176, 115397 (2020 ж.).
Йонгсири, К., Эйамса-Ард, П., Вонгчари, К. және Эйамса-Ард, SJCS Қиғаш бөлетін қанаттары бар турбулентті арна ағынында жылу беру жақсарды.өзекті зерттеу.температура.жоба.3, 1–10 (2014).