Дзякуй за наведванне Nature.com.Вы выкарыстоўваеце версію браўзера з абмежаванай падтрымкай CSS.Для найлепшага вопыту мы рэкамендуем вам выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer).Акрамя таго, каб забяспечыць пастаянную падтрымку, мы паказваем сайт без стыляў і JavaScript.
Паўзункі, якія паказваюць тры артыкулы на слайдзе.Для перамяшчэння па слайдах выкарыстоўвайце кнопкі "Назад" і "Далей" або кнопкі кантролера слайдаў у канцы для перамяшчэння па кожным слайдзе.
304 10*1 мм спіральная труба з нержавеючай сталі ў Кітаі
Памер: 3/4 цалі, 1/2 цалі, 1 цалі, 3 цалі, 2 цалі
Даўжыня трубы: 6 метраў
Марка сталі: 201, 304 І 316
Марка: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,
Матэрыял: НЕРЖАВЕЮЧАЯ СТАЛЬ
Стан: новы
Шпулька з нержавеючай сталі
Памер: 3/4 цалі, 1/2 цалі, 1 цалі, 3 цалі, 2 цалі
Даўжыня трубы: 6 метраў
Марка сталі: 201, 304 І 316
Марка: 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,
Матэрыял: НЕРЖАВЕЮЧАЯ СТАЛЬ
Стан: новы
Кавалентныя і некавалентныя нанавадкасці выпрабоўваліся ў круглых трубах, абсталяваных устаўкамі са скручанай стужкі з вугламі спіралі 45° і 90°.Лік Рэйнальдса быў 7000 ≤ Re ≤ 17000, цеплафізічныя ўласцівасці ацэньваліся пры 308 K. Фізічная мадэль вырашана лікава з выкарыстаннем двухпараметрічнай мадэлі турбулентнай вязкасці (SST k-omega turbulence).У працы разглядаліся канцэнтрацыі (0,025 мас.%, 0,05 мас.% і 0,1 мас.%) нанафлюідаў ZNP-SDBS@DV і ZNP-COOH@DV.Сценкі вітых труб награваюцца пры пастаяннай тэмпературы 330 К. У бягучым даследаванні разглядаліся шэсць параметраў: тэмпература на выхадзе, каэфіцыент цеплааддачы, сярэдняе лік Нуссельта, каэфіцыент трэння, страты ціску і крытэрыі ацэнкі прадукцыйнасці.У абодвух выпадках (кут спіралі 45° і 90°) нанавадкасць ZNP-SDBS@DV паказала больш высокія цеплагідраўлічныя характарыстыкі, чым ZNP-COOH@DV, і яны павялічваліся з павелічэннем масавай долі, напрыклад, 0,025 мас., і 0,05 мас.складае 1,19.% і 1,26 – 0,1 мас.%.У абодвух выпадках (кут спіралі 45° і 90°) значэнні тэрмадынамічных характарыстык пры выкарыстанні GNP-COOH@DW складаюць 1,02 для 0,025% мас., 1,05 для 0,05% мас.і 1,02 для 0,1% мас.
Цеплаабменнік - гэта тэрмадынамічная прылада 1, якая выкарыстоўваецца для перадачы цяпла падчас астуджэння і нагрэву.Цеплагідраўлічныя ўласцівасці цеплаабменніка паляпшаюць каэфіцыент цеплааддачы і зніжаюць супраціўленне рабочай вадкасці.Было распрацавана некалькі метадаў паляпшэння цеплааддачы, у тым ліку ўзмацняльнікі турбулентнасці2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 і нанавадкасці12,13,14,15.Устаўка вітай стужкі з'яўляецца адным з найбольш паспяховых метадаў паляпшэння цеплаабмену ў цеплаабменніках з-за прастаты абслугоўвання і нізкай кошту7,16.
У серыі эксперыментальных і разліковых даследаванняў былі вывучаны гідратэрмічныя ўласцівасці сумесяў нанафлюідаў і цеплаабменнікаў з устаўкамі з кручанай стужкі.У эксперыментальнай працы гідратэрмальныя ўласцівасці трох розных металічных нанафлюідаў (Ag@DW, Fe@DW і Cu@DW) вывучаліся ў цеплаабменніку з іголкавай стужкай (STT)17.У параўнанні з базавай трубой каэфіцыент цеплааддачы STT палепшаны на 11% і 67%.Кампаноўка SST з'яўляецца лепшай з эканамічнага пункту гледжання па ККД з параметрам α = β = 0,33.Акрамя таго, павелічэнне n на 18,2% назіралася з Ag@DW, хаця максімальнае павелічэнне страты ціску было толькі на 8,5%.Фізічныя працэсы цеплааддачы і страты ціску ў канцэнтрычных трубах са змеявымі турбулятарамі і без іх вывучаліся з выкарыстаннем турбулентных патокаў нанавадкасці Al2O3@DW з прымусовай канвекцыяй.Максімальны сярэдні лік Нусэльта (Nuavg) і страта ціску назіраюцца пры Re = 20 000, калі крок шпулькі = 25 мм і нанавадкасць Al2O3@DW 1,6 аб.%.Былі таксама праведзены лабараторныя даследаванні для вывучэння характарыстык цеплааддачы і страты ціску нанавадкасцей аксіду графена (GO@DW), якія цякуць праз амаль круглыя трубы з туалетнымі ўстаўкамі.Вынікі паказалі, што 0,12 аб.%-GO@DW павялічвае каэфіцыент канвекцыйнага цеплаперадачы прыкладна на 77%.У іншым эксперыментальным даследаванні нанавадкасці (TiO2@DW) былі распрацаваны для вывучэння цеплагідраўлічных характарыстык трубак з ямкамі, абсталяваных устаўкамі з кручанай стужкі20.Максімальная гідратэрмальная эфектыўнасць 1,258 была дасягнута пры выкарыстанні 0,15 аб.%-TiO2@DW, убудаванага ў валы з нахілам 45° і каэфіцыентам кручэння 3,0.Аднафазныя і двухфазныя (гібрыдныя) імітацыйныя мадэлі ўлічваюць паток і цеплаперадачу нанавадкасцей CuO@DW пры розных канцэнтрацыях цвёрдых рэчываў (1–4% аб.%)21.Максімальная цеплавая эфектыўнасць трубкі, устаўленай з адной скручанай стужкай, складае 2,18, а трубкі, устаўленай з дзвюма скручанымі стужкамі, пры тых жа ўмовах складае 2,04 (двухфазная мадэль, Re = 36 000 і 4 аб.%).Даследаваны неньютоновский турбулентны паток нанавадкасці карбаксіметылцэлюлозы (CMC) і аксіду медзі (CuO) у магістральных трубах і трубах з вітымі ўстаўкамі.Nuavg паказвае паляпшэнне на 16,1% (для магістральнага трубаправода) і 60% (для спіральнага трубаправода з суадносінамі (H/D = 5)).Як правіла, меншае стаўленне кручэння да стужкі прыводзіць да больш высокага каэфіцыента трэння.У эксперыментальным даследаванні з выкарыстаннем нанавадкасцей CuO@DW вывучаўся ўплыў труб з вітай стужкай (ТТ) і спіралі (VC) на ўласцівасці цеплааддачы і каэфіцыент трэння.Выкарыстоўваючы 0,3 аб.%-CuO@DW пры Re = 20000 дазваляе павялічыць цеплааддачу ў трубе ВК-2 да максімальнага значэння 44,45%.Акрамя таго, пры выкарыстанні кабеля вітай пары і шпулькі пры аднолькавых гранічных умовах каэфіцыент трэння павялічваецца ў 1,17 і 1,19 разоў у параўнанні з DW.Увогуле, цеплавая эфектыўнасць нанавадкасцей, устаўленых у шпулькі, лепшая, чым у нанавадкасцей, устаўленых у шматжыльныя правады.Аб'ёмная характарыстыка турбулентнага (MWCNT@DW) патоку нанавадкасці вывучалася ўнутры гарызантальнай трубкі, устаўленай у спіральны дрот.Параметры цеплавой прадукцыйнасці былі > 1 для ўсіх выпадкаў, што паказвае на тое, што спалучэнне нанафлюідыкі з устаўкай змеявіка паляпшае цеплаабмен без спажывання энергіі помпы.Даследаваны гідратэрмічныя характарыстыкі двухтрубнага цеплаабменніка з рознымі ўстаўкамі з мадыфікаванай кручана-кручанай V-вобразнай стужкі (VcTT) ва ўмовах турбулентнага патоку нанавадкасці Al2O3 + TiO2@DW.У параўнанні з DW у базавых трубах, Nuavg мае значнае паляпшэнне на 132% і каэфіцыент трэння да 55%.Акрамя таго, абмяркоўвалася энергетычная эфектыўнасць нанакампазіту Al2O3+TiO2@DW у двухтрубным цеплаабменніку26.У сваім даследаванні яны выявілі, што выкарыстанне Al2O3 + TiO2@DW і TT паляпшае эксергетычную эфектыўнасць у параўнанні з DW.У канцэнтрычных трубчастых цеплаабменніках з турбулятарамі VcTT Сінгх і Саркар27 выкарыстоўвалі матэрыялы з фазавым змяненнем (PCM), дысперсныя адзінкавыя/нанакампазітныя нанавадкасці (Al2O3@DW з PCM і Al2O3 + PCM).Яны паведамілі, што цеплаперадача і страты ціску павялічваюцца па меры памяншэння каэфіцыента кручэння і павелічэння канцэнтрацыі наначасціц.Большы каэфіцыент глыбіні V-выемкі або меншы каэфіцыент шырыні можа забяспечыць большую цеплааддачу і страту ціску.Акрамя таго, графен-плаціна (Gr-Pt) выкарыстоўвалася для даследавання цяпла, трэння і агульнай хуткасці генерацыі энтрапіі ў трубках са ўстаўкамі 2-TT28.Іх даследаванне паказала, што меншы працэнт (Gr-Pt) значна зніжае выпрацоўку цеплавой энтрапіі ў параўнанні з адносна больш высокім развіццём энтрапіі трэння.Змешаныя нанавадкасці Al2O3@MgO і канічны WC можна разглядаць як добрую сумесь, паколькі павелічэнне суадносін (h/Δp) можа палепшыць гідратэрмальныя характарыстыкі двухтрубнага цеплаабменніка 29.Лікавая мадэль выкарыстоўваецца для ацэнкі энергазберагальных і экалагічных характарыстык цеплаабменнікаў з рознымі трохкампанентнымі гібрыднымі нанавадкасцямі (THNF) (Al2O3 + графен + MWCNT), узважанымі ў DW30.З-за крытэрыяў ацэнкі прадукцыйнасці (PEC) у дыяпазоне 1,42–2,35 патрабуецца камбінацыя турбулізатарнай устаўкі з дэпрэсіўным кручэннем (DTTI) і (Al2O3 + графен + MWCNT).
Да гэтага часу мала ўвагі надавалася ролі кавалентнай і некавалентнай функцыяналізацыі ў гідрадынамічным патоку цеплавых вадкасцей.Канкрэтнай мэтай гэтага даследавання было параўнанне цеплагідраўлічных характарыстык нанавадкасцей (ZNP-SDBS@DV) і (ZNP-COOH@DV) ва ўстаўках з кручанай стужкі з вугламі спіралі 45° і 90°.Цеплафізічныя ўласцівасці вымяраліся пры Tin = 308 K. У гэтым выпадку ў працэсе параўнання ўлічваліся тры масавыя долі, такія як (0,025 мас.%, 0,05 мас.% і 0,1 мас.%).Перадача напружання зруху ў трохмернай мадэлі турбулентнага патоку (SST k-ω) выкарыстоўваецца для рашэння цеплагідраўлічных характарыстык.Такім чынам, дадзенае даследаванне ўносіць істотны ўклад у вывучэнне станоўчых уласцівасцяў (цеплааддача) і адмоўных уласцівасцяў (перапад ціску на трэнне), дэманструючы цеплагідраўлічныя характарыстыкі і аптымізацыю рэальных рабочых вадкасцей у такіх інжынерных сістэмах.
Базавая канфігурацыя - гладкая труба (L = 900 мм і Dh = 20 мм).Памеры ўстаўленай скручанай стужкі (даўжыня = 20 мм, таўшчыня = 0,5 мм, профіль = 30 мм).У гэтым выпадку даўжыня, шырыня і ход спіральнага профілю складалі адпаведна 20 мм, 0,5 мм і 30 мм.Скручаныя стужкі нахілены пад 45° і 90°.Розныя працоўныя вадкасці, такія як DW, некавалентныя нанавадкасці (GNF-SDBS@DW) і кавалентныя нанавадкасці (GNF-COOH@DW) пры Tin = 308 K, трох розных масавых канцэнтрацыях і розных ліках Рэйнальдса.Выпрабаванні праводзіліся ўнутры цеплаабменніка.Знешнюю сценку спіральнай трубкі награвалі пры пастаяннай тэмпературы паверхні 330 К, каб праверыць параметры для паляпшэння цеплааддачы.
На мал.1 схематычна паказвае ўстаўную трубку са скручанай стужкі з адпаведнымі межавымі ўмовамі і плошчай сеткі.Як згадвалася раней, гранічныя ўмовы хуткасці і ціску прымяняюцца да ўваходных і выхадных частак спіралі.Пры пастаяннай тэмпературы паверхні на сценцы трубы ствараецца ўмова супраць слізгацення.Цяперашняе лікавае мадэляванне выкарыстоўвае рашэнне на аснове ціску.Пры гэтым выкарыстоўваецца праграма (ANSYS FLUENT 2020R1) для пераўтварэння дыферэнцыяльнага ўраўнення ў частковых вытворных (PDE) у сістэму алгебраічных ураўненняў метадам канечнага аб'ёму (FMM).Метад SIMPLE другога парадку (паўняяўны метад для паслядоўных ураўненняў, якія залежаць ад ціску) звязаны з хуткасцю-ціскам.Варта падкрэсліць, што збежнасць нявязак для ўраўненняў масы, імпульсу і энергіі меншая за 103 і 106 адпаведна.
p Дыяграма фізічнай і вылічальнай абласцей: (a) вугал спіралі 90°, (b) вугал спіралі 45°, (c) спіральная лопасць адсутнічае.
Аднародная мадэль выкарыстоўваецца для тлумачэння ўласцівасцей нанавадкасцей.Пры ўключэнні нанаматэрыялаў у базавую вадкасць (DW) утвараецца бесперапынная вадкасць з выдатнымі цеплавымі ўласцівасцямі.У сувязі з гэтым тэмпература і хуткасць асноўнай вадкасці і нанаматэрыялу маюць аднолькавае значэнне.З-за прыведзеных вышэй тэорый і дапушчэнняў у гэтым даследаванні працуе эфектыўны аднафазны паток.Некалькі даследаванняў прадэманстравалі эфектыўнасць і дастасавальнасць аднафазных метадаў для нанафлюіднага патоку31,32.
Паток нанавадкасцей павінен быць ньютанаўскім турбулентным, несціскальным і стацыянарным.Праца сціску і глейкі нагрэў не маюць значэння ў гэтым даследаванні.Акрамя таго, не ўлічваецца таўшчыня ўнутранай і вонкавай сценак трубы.Такім чынам, ураўненні захавання масы, імпульсу і энергіі, якія вызначаюць цеплавую мадэль, можна выказаць наступным чынам:
дзе \(\overrightarrow{V}\) — вектар сярэдняй хуткасці, Keff = K + Kt — эфектыўная цеплаправоднасць кавалентнай і некавалентнай нанавадкасцей, а ε — хуткасць рассейвання энергіі.Эфектыўныя цеплафізічныя ўласцівасці нанавадкасцей, уключаючы шчыльнасць (ρ), глейкасць (μ), удзельную цеплаёмістасць (Cp) і цеплаправоднасць (k), паказаныя ў табліцы, былі вымераны падчас эксперыментальнага даследавання пры тэмпературы 308 K1 пры выкарыстанні у гэтых сімулятарах.
Лікавае мадэляванне турбулентнага патоку нанавадкасці ў звычайных трубках і трубках ТТ было праведзена пры ліках Рэйнальдса 7000 ≤ Re ≤ 17000. Гэта мадэляванне і каэфіцыенты канвектыўнай цеплааддачы былі прааналізаваны з выкарыстаннем κ-ω-мадэлі турбулентнасці Mentor для перадачы напружання зруху (SST), усярэдніх па турбулентнасці Рэйнольдса мадэль Навье-Стокса, звычайна выкарыстоўваецца ў аэрадынамічных даследаваннях.Акрамя таго, мадэль працуе без насценнай функцыі і дакладная каля сцен 35,36.(SST) κ-ω, якія вызначаюць ураўненні мадэлі турбулентнасці, наступныя:
дзе \(S\) - значэнне хуткасці дэфармацыі, а \(y\) - адлегласць да сумежнай паверхні.У той жа час \({\alpha}_{1}\), \({\alpha}_{2}\), \({\beta}_{1}\), \({\beta}_{ 2 }\), \({\beta}^{*}\), \({\sigma}_{{k}_{1}}\), \({\sigma}_{{k}_{ 2 }}\), \({\sigma}_{{\omega}_{1}}\) і \({\sigma}_{{\omega}_{2}}\) абазначаюць усе канстанты мадэлі.F1 і F2 змешаныя функцыі.Заўвага: F1 = 1 у памежным слоі, 0 у набягаючым патоку.
Параметры ацэнкі прадукцыйнасці выкарыстоўваюцца для вывучэння турбулентнага канвектыўнага цеплаабмену, кавалентнага і некавалентнага патоку нанавадкасці, напрыклад31:
У гэтым кантэксце (\(\rho\)), (\(v\)), (\({D}_{h}\)) і (\(\mu\)) выкарыстоўваюцца для шчыльнасці, хуткасці вадкасці , гідраўлічны дыяметр і дынамічная глейкасць.(\({C}_{p}\, \mathrm{u}\, k\)) – удзельная цеплаёмістасць і цеплаправоднасць цякучай вадкасці.Акрамя таго, (\(\dot{m}\)) адносіцца да масавага расходу, а (\({T}_{out}-{T}_{in}\)) адносіцца да розніцы тэмператур на ўваходзе і выхадзе.(NFs) адносіцца да кавалентных, некавалентных нанавадкасцей, а (DW) адносіцца да дыстыляванай вады (асноўная вадкасць).\({A}_{s} = \pi DL\), \({\overline{T}}_{f}=\frac{\left({T}_{out}-{T}_{in }\right)}{2}\) і \({\overline{T}}_{w}=\sum \frac{{T}_{w}}{n}\).
Цеплафізічныя ўласцівасці асноўнай вадкасці (DW), некавалентнай нанавадкасці (GNF-SDBS@DW) і кавалентнай нанавадкасці (GNF-COOH@DW) былі ўзяты з апублікаванай літаратуры (эксперыментальныя даследаванні), Sn = 308 K, як паказана ў табліцы 134. У тыповым эксперыменце па атрыманні некавалентнай (GNP-SDBS@DW) нанавадкасці з вядомымі масавымі працэнтамі пэўныя грамы першасных ВНП першапачаткова ўзважвалі на лічбавых вагах.Вагавое стаўленне SDBS/натыўнага ВНП складае (0,5:1), узважанае ў DW.У гэтым выпадку кавалентныя (COOH-GNP@DW) нанафлюіды былі сінтэзаваны шляхам дадання карбаксільных груп на паверхню GNP з выкарыстаннем моцнакіслай асяроддзя з аб'ёмным суадносінамі (1:3) HNO3 і H2SO4.Кавалентныя і некавалентныя нанавадкасці былі суспендаваныя ў DW пры трох розных вагавых працэнтах, такіх як 0,025 мас.%, 0,05 мас.%.і 0,1% мас.
Тэсты на незалежнасць сеткі былі праведзены ў чатырох розных вылічальных абласцях, каб гарантаваць, што памер сеткі не ўплывае на мадэляванне.У выпадку тарсіённай трубы 45° колькасць адзінак з памерам адзінкі 1,75 мм складае 249 033, колькасць адзінак з памерам адзінкі 2 мм складае 307 969, колькасць адзінак з памерам адзінкі 2,25 мм складае 421 406, а колькасць адзінак з памерам адзінкі 2,5 мм 564 940 адпаведна.Акрамя таго, у прыкладзе вітай трубы на 90° колькасць элементаў з памерам элемента 1,75 мм складае 245 531, колькасць элементаў з памерам элемента 2 мм складае 311 584, колькасць элементаў з памерам элемента 2,25 мм складае 422 708, а колькасць элементаў з памерам элемента 2,5 мм складае адпаведна 573 826.Дакладнасць паказанняў цеплавых уласцівасцей, такіх як (Tout, htc і Nuavg), павялічваецца па меры памяншэння колькасці элементаў.Пры гэтым дакладнасць значэнняў каэфіцыента трэння і перападу ціску паказала зусім іншае паводзіны (мал. 2).Сетка (2) выкарыстоўвалася ў якасці асноўнай вобласці сеткі для ацэнкі цеплагідраўлічных характарыстык у змадэляваным выпадку.
Выпрабаванне цеплааддачы і перападу ціску незалежна ад сеткі з выкарыстаннем пар труб DW, скручаных на 45° і 90°.
Цяперашнія лікавыя вынікі былі пацверджаны для характарыстык цеплаперадачы і каэфіцыента трэння з выкарыстаннем добра вядомых эмпірычных карэляцый і ўраўненняў, такіх як Дытус-Белтэр, Петухоў, Гнелінскі, Нотэр-Раўз і Блазіус.Параўнанне праводзілася пры ўмове 7000≤Re≤17000.Згодна з мал.3, сярэдняя і максімальная памылкі паміж вынікамі мадэлявання і раўнаннем цеплааддачы складаюць 4,050 і 5,490% (Діттус-Бельтэр), 9,736 і 11,33% (Петухоў), 4,007 і 7,483% (Гнелінскі) і 3,883% і 4,937% ( Нот-Белтэр).Ружа).У гэтым выпадку сярэдняя і максімальная памылкі паміж вынікамі мадэлявання і раўнаннем каэфіцыента трэння складаюць адпаведна 7,346% і 8,039% (Блазіус) і 8,117% і 9,002% (Петухоў).
Цеплаабмен і гідрадынамічныя ўласцівасці DW пры розных ліках Рэйнольдса з дапамогай лікавых разлікаў і эмпірычных карэляцый.
У гэтым раздзеле абмяркоўваюцца цеплавыя ўласцівасці некавалентных (LNP-SDBS) і кавалентных (LNP-COOH) водных нанавадкасцей пры трох розных масавых долях і ліках Рэйнольдса як сярэдніх адносна асноўнай вадкасці (DW).Дзве геаметрыі спіральных істужачных цеплаабменнікаў (вугал спіралі 45° і 90°) абмяркоўваюцца для 7000 ≤ Re ≤ 17000. На мал.4 паказвае сярэднюю тэмпературу на выхадзе нанавадкасці ў базавую вадкасць (DW) (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{ DW } } \) ) пры (0,025% мас., 0,05% мас. і 0,1% мас.).(\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) заўсёды менш за 1, што азначае, што тэмпература на выхадзе некавалентныя (VNP-SDBS) і кавалентныя (VNP-COOH) нанавадкасці знаходзяцца ніжэй тэмпературы на выхадзе з асноўнай вадкасці.Самае нізкае і самае высокае зніжэнне было 0,1 мас.%-COOH@GNP і 0,1 мас.%-SDBS@GNP, адпаведна.Гэта з'ява звязана з павелічэннем ліку Рэйнольдса пры пастаяннай масавай долі, што прыводзіць да змены уласцівасцяў нанавадкасці (гэта значыць шчыльнасці і дынамічнай глейкасці).
На малюнках 5 і 6 паказаны сярэднія характарыстыкі цеплаперадачы нанавадкасці да асноўнай вадкасці (DW) пры (0,025 мас.%, 0,05 мас.% і 0,1 мас.%).Сярэднія ўласцівасці цеплаперадачы заўсёды большыя за 1, што азначае, што ўласцівасці цеплаперадачы некавалентных (LNP-SDBS) і кавалентных (LNP-COOH) нанавадкасцей паляпшаюцца ў параўнанні з базавай вадкасцю.0,1 мас.%-COOH@GNP і 0,1 мас.%-SDBS@GNP дасягнулі найменшага і самага высокага прыросту адпаведна.Калі лік Рэйнольдса павялічваецца з-за большага змешвання вадкасці і турбулентнасці ў трубе 1, прадукцыйнасць цеплаперадачы паляпшаецца.Вадкасці праз невялікія шчыліны дасягаюць больш высокіх хуткасцей, што прыводзіць да больш тонкага памежнага пласта хуткасці і цяпла, што павялічвае хуткасць цеплааддачы.Даданне большай колькасці наначасціц у базавую вадкасць можа мець як станоўчыя, так і адмоўныя вынікі.Дабратворныя эфекты ўключаюць павелічэнне сутыкненняў наначасціц, спрыяльныя патрабаванні да цеплаправоднасці вадкасці і паляпшэнне цеплааддачы.
Каэфіцыент цеплааддачы нанавадкасці да асноўнай вадкасці ў залежнасці ад ліку Рэйнальдса для трубак 45° і 90°.
У той жа час адмоўным эфектам з'яўляецца павелічэнне дынамічнай глейкасці нанавадкасці, што зніжае рухомасць нанавадкасці, тым самым зніжаючы сярэдні лік Нуссельта (Nuavg).Павышаная цеплаправоднасць нанавадкасцей (ZNP-SDBS@DW) і (ZNP-COOH@DW) павінна быць звязана з броўнаўскім рухам і мікраканвекцыяй наначасціц графена, узважаных у DW37.Цеплаправоднасць нанавадкасці (ZNP-COOH@DV) вышэй, чым у нанавадкасці (ZNP-SDBS@DV) і дыстыляванай вады.Даданне большай колькасці нанаматэрыялаў да асноўнай вадкасці павялічвае іх цеплаправоднасць (табл. 1)38.
Малюнак 7 ілюструе сярэдні каэфіцыент трэння нанавадкасцей з базавай вадкасцю (DW) (f(NFs)/f(DW)) у масавых працэнтах (0,025%, 0,05% і 0,1%).Сярэдні каэфіцыент трэння заўсёды ≈1, што азначае, што некавалентныя (GNF-SDBS@DW) і кавалентныя (GNF-COOH@DW) нанавадкасці маюць аднолькавы каэфіцыент трэння з базавай вадкасцю.Цеплаабменнік з меншай прасторай стварае большыя перашкоды патоку і павялічвае трэнне патоку1.У асноўным каэфіцыент трэння нязначна павялічваецца з павелічэннем масавай долі нанавадкасці.Больш высокія страты на трэнне выкліканы павелічэннем дынамічнай глейкасці нанавадкасці і павелічэннем напружання зруху на паверхні з больш высокім масавым працэнтам нанаграфена ў базавай вадкасці.Табліца (1) паказвае, што дынамічная глейкасць нанавадкасці (ZNP-SDBS@DV) вышэй, чым у нанавадкасці (ZNP-COOH@DV) пры аднолькавым масавым адсотку, што звязана з даданнем паверхневых эфектаў.актыўныя рэчывы на некавалентнай нанавадкасці.
На мал.8 паказвае нанавадкасць у параўнанні з базавай вадкасцю (DW) (\(\frac{{\Delta P}_{NFs}}{{\Delta P}_{DW}}\)) пры (0,025%, 0,05% і 0,1% ).Некавалентная (GNPs-SDBS@DW) нанавадкасць паказала больш высокую сярэднюю страту ціску і з павелічэннем масавай долі да 2,04% для 0,025% мас., 2,46% для 0,05% мас.і 3,44% для 0,1% мас.з павелічэннем корпуса (кут спіралі 45° і 90°).Між тым, нанавадкасць (GNPs-COOH@DW) паказала меншую сярэднюю страту ціску, павялічыўшыся з 1,31% пры 0,025% мас.да 1,65% пры 0,05% мас.Сярэдняя страта ціску 0,05 мас.%-COOH@NP і 0,1 мас.%-COOH@NP складае 1,65%.Як відаць, падзенне ціску ўзрастае з павелічэннем ліку Re ва ўсіх выпадках.Павялічаны перапад ціску пры высокіх значэннях Re паказвае прамая залежнасць ад аб'ёмнага расходу.Такім чынам, больш высокі лік Re ў трубцы прыводзіць да большага падзення ціску, што патрабуе павелічэння магутнасці помпы39,40.Акрамя таго, страты ціску вышэй з-за большай інтэнсіўнасці завіхрэнняў і турбулентнасці, якія ствараюцца большай плошчай паверхні, што павялічвае ўзаемадзеянне ціску і сіл інэрцыі ў памежным слоі1.
У цэлым крытэрыі ацэнкі прадукцыйнасці (PEC) для некавалентных (VNP-SDBS@DW) і кавалентных (VNP-COOH@DW) нанавадкасцей паказаны на мал.9. Нанавадкасць (ZNP-SDBS@DV) паказала больш высокія значэнні PEC, чым (ZNP-COOH@DV) у абодвух выпадках (кут спіралі 45° і 90°), і гэта было палепшана шляхам павелічэння масавай долі, напрыклад, 0,025 мас.%.складае 1,17, 0,05 мас.% - 1,19 і 0,1 мас.% - 1,26.Між тым, значэнні PEC з выкарыстаннем нанавадкасцей (GNPs-COOH@DW) складалі 1,02 для 0,025% па масе, 1,05 для 0,05% па масе, 1,05 для 0,1% па масе.у абодвух выпадках (вугал спіралі 45° і 90°).1.02.Як правіла, з павелічэннем ліку Рэйнольдса цеплагідраўлічны ККД значна зніжаецца.Па меры павелічэння ліку Рэйнальдса зніжэнне каэфіцыента цеплагідраўлічнага ККД сістэматычна звязана з павелічэннем (NuNFs/NuDW) і памяншэннем (fNFs/fDW).
Гідратэрмічныя ўласцівасці нанафлюідаў адносна асноўных вадкасцей у залежнасці ад лікаў Рэйнольдса для труб з вугламі 45° і 90°.
У гэтым раздзеле абмяркоўваюцца цеплавыя ўласцівасці вады (DW), некавалентных (VNP-SDBS@DW) і кавалентных (VNP-COOH@DW) нанавадкасцей пры трох розных масавых канцэнтрацыях і ліках Рэйнольдса.Для ацэнкі сярэдняй цеплагідраўлічнай прадукцыйнасці былі разгледжаны дзве геаметрыі спіральнага істужачнага цеплаабменніка ў дыяпазоне 7000 ≤ Re ≤ 17000 адносна звычайных труб (вуглы спіралі 45° і 90°).На мал.10 паказвае сярэднюю тэмпературу вады і нанавадкасцей на выхадзе (кут спіралі 45° і 90°) для звычайнай трубы (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{ {T} _{out}}_{Regular}}\)).Некавалентныя (GNP-SDBS@DW) і кавалентныя (GNP-COOH@DW) нанавадкасці маюць тры розныя масавыя долі, такія як 0,025 мас.%, 0,05 мас.% і 0,1 мас.%.Як паказана на мал.11, сярэдняе значэнне тэмпературы на выхадзе (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{{T}_{out}}_{Plain}}\)) > 1, гэта сведчыць аб тым, што (45° і 90° кут спіралі) тэмпература на выхадзе з цеплаабменніка больш значная, чым у звычайнай трубе, з-за большай інтэнсіўнасці турбулентнасці і лепшага змешвання вадкасці.Акрамя таго, тэмпература на выхадзе з DW, некавалентных і кавалентных нанавадкасцей зніжалася з павелічэннем ліку Рэйнальдса.Базавая вадкасць (DW) мае самую высокую сярэднюю тэмпературу на выхадзе.Між тым, самае нізкае значэнне адносіцца да 0,1 мас.%-SDBS@GNP.Некавалентныя (GNPs-SDBS@DW) нанавадкасці паказалі больш нізкую сярэднюю тэмпературу на выхадзе ў параўнанні з кавалентнымі (GNPs-COOH@DW) нанавадкасці.Паколькі скручаная стужка робіць поле патоку больш змешаным, прысценачны цеплавы паток можа лягчэй праходзіць праз вадкасць, павялічваючы агульную тэмпературу.Больш нізкае стаўленне скруткі да стужкі прыводзіць да лепшага пранікнення і, такім чынам, лепшай цеплааддачы.З іншага боку, можна заўважыць, што скручаная стужка падтрымлівае больш нізкую тэмпературу да сцяны, што, у сваю чаргу, павялічвае Nuavg.Для ўставак са скручанай стужкі больш высокае значэнне Nuavg паказвае на палепшаную канвекцыйную цеплааддачу ўнутры трубы22.З-за павелічэння шляху патоку і дадатковага змешвання і турбулентнасці павялічваецца час знаходжання, што прыводзіць да павышэння тэмпературы вадкасці на выхадзе41.
Лікі Рэйнольдса розных нанавадкасцей адносна тэмпературы на выхадзе звычайных трубак (куты спіралі 45° і 90°).
Каэфіцыенты цеплааддачы (45° і 90° вугал спіралі) у параўнанні з лікамі Рэйнальдса для розных нанавадкасцей у параўнанні са звычайнымі трубкамі.
Асноўны механізм палепшанай цеплааддачы спіральнай стужкі заключаецца ў наступным: 1. Памяншэнне гідраўлічнага дыяметра цеплаабменнай трубкі прыводзіць да павелічэння хуткасці патоку і крывізны, што, у сваю чаргу, павялічвае напружанне зруху ў сцяне і спрыяе другаснаму руху.2. З-за засмечвання намотнай стужкі хуткасць на сценцы трубы павялічваецца, а таўшчыня памежнага пласта памяншаецца.3. Спіральны паток за вітым поясам прыводзіць да павелічэння хуткасці.4. Індукаваныя віхуры паляпшаюць змешванне вадкасці паміж цэнтральнай і прысценкавай абласцямі патоку42.На мал.11 і мал.На малюнку 12 паказаны ўласцівасці цеплаперадачы DW і нанавадкасцей, напрыклад (каэфіцыент цеплаперадачы і сярэдняе лік Нусэльта) у выглядзе сярэдніх значэнняў пры выкарыстанні ўстаўных трубак са скручанай стужкай у параўнанні са звычайнымі трубкамі.Некавалентныя (GNP-SDBS@DW) і кавалентныя (GNP-COOH@DW) нанавадкасці маюць тры розныя масавыя долі, такія як 0,025 мас.%, 0,05 мас.% і 0,1 мас.%.У абодвух цеплаабменніках (кут спіралі 45° і 90°) сярэдняя прадукцыйнасць цеплаперадачы складае >1, што паказвае на паляпшэнне каэфіцыента цеплааддачы і сярэдняга ліку Нуссельта са спіральнымі трубкамі ў параўнанні са звычайнымі трубкамі.Некавалентныя (GNPs-SDBS@DW) нанавадкасці паказалі больш высокае сярэдняе паляпшэнне цеплааддачы, чым кавалентныя (GNPs-COOH@DW) нанавадкасці.Пры Re = 900 павышэнне прадукцыйнасці цеплаперадачы -SDBS@GNPs на 0,1% па масе для двух цеплаабменнікаў (кут спіралі 45° і 90°) было самым высокім са значэннем 1,90.Гэта азначае, што аднастайны эфект TP больш важны пры больш нізкіх хуткасцях вадкасці (лік Рэйнольдса)43 і павелічэнні інтэнсіўнасці турбулентнасці.З-за ўвядзення некалькіх завіхрэнняў каэфіцыент цеплааддачы і сярэдняе лік Нусэльта трубак ТТ вышэй, чым у звычайных трубак, што прыводзіць да больш тонкага памежнага пласта.Ці павялічвае наяўнасць ТН інтэнсіўнасць турбулентнасці, змешвання патокаў рабочай вадкасці і ўзмацненне цеплааддачы ў параўнанні з базавымі трубамі (без устаўкі кручанай стужкі)21.
Сярэдняе лік Нусельта (вугал спіралі 45° і 90°) у параўнанні з лікам Рэйнольдса для розных нанавадкасцей у параўнанні са звычайнымі трубкамі.
На малюнках 13 і 14 паказаны сярэдні каэфіцыент трэння (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain}}\)) і страты ціску (\(\frac{{\Delta P} _ {Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\}} каля 45° і 90° для звычайных труб, якія выкарыстоўваюць нанавадкасці DW, іонаабменнік (GNPs-SDBS@DW) і (GNPs-COOH@DW) змяшчае (0,025 мас. %, 0,05 мас. % і 0,1 мас. %). { {f}_{Plain} }\)) і страты ціску (\(\frac{{ \Delta P}_{Twisted}}{{\Delta P }_{Plain}}\}) памяншаецца. У выпадках каэфіцыент трэння і страта ціску вышэй пры меншых ліках Рэйнальдса Сярэдні каэфіцыент трэння і страта ціску знаходзяцца ў межах ад 3,78 да 3,12. Сярэдні каэфіцыент трэння і страта ціску паказваюць, што (45° спіралі кут і 90°) цеплаабменнік каштуе ў тры разы вышэй, чым звычайныя трубы. Акрамя таго, калі рабочая вадкасць цячэ з большай хуткасцю, каэфіцыент трэння памяншаецца. Праблема ўзнікае таму, што з павелічэннем ліку Рэйнольдса таўшчыня памежнага пласта памяншаецца, што прыводзіць да памяншэння ўплыву дынамічнай глейкасці на здзіўлены ўчастак, памяншэння градыентаў хуткасці і напружання зруху і, як следства, зніжэння каэфіцыента трения21.Палепшаны эфект блакіроўкі з-за наяўнасці TT і павялічанага завіхрэння прыводзіць да значна большых страт ціску для гетэрагенных труб TT, чым для асноўных труб.Акрамя таго, як для апорнай трубы, так і для трубы ТТ можна заўважыць, што перапад ціску ўзрастае з хуткасцю рабочай вадкасці43.
Каэфіцыент трэння (кут спіралі 45° і 90°) у залежнасці ад ліку Рэйнальдса для розных нанавадкасцей у параўнанні са звычайнымі трубкамі.
Страта ціску (кут спіралі 45° і 90°) як функцыя ліку Рэйнальдса для розных нанавадкасцей адносна звычайнай трубкі.
Падводзячы вынік, на малюнку 15 паказаны крытэрыі ацэнкі прадукцыйнасці (PEC) для цеплаабменнікаў з вугламі 45° і 90° у параўнанні з простымі трубамі (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}} \ ) ) у (0,025 мас.%, 0,05 мас.% і 0,1 мас.%) з выкарыстаннем DV, (VNP-SDBS@DV) і кавалентнай (VNP-COOH@DV) нанавадкасцей.Значэнне (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) > 1 у абодвух выпадках (вугал спіралі 45° і 90°) у цеплаабменніку.Акрамя таго, (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) дасягае найлепшага значэння пры Re = 11000.Цеплаабменнік 90° паказвае невялікае павелічэнне (\ (\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) у параўнанні з цеплаабменнікам 45°., Пры Re = 11000 0,1 мас.%-GNPs@SDBS прадстаўляе больш высокія значэнні (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)), напрыклад, 1,25 для вугла цеплаабменніка 45° і 1,27 для кутняга цеплаабменніка 90°.Яно большае за адзінку ва ўсіх працэнтах масавай долі, што сведчыць аб тым, што трубы з устаўкамі з вітай стужкі пераўзыходзяць звычайныя трубы.Характэрна, што паляпшэнне цеплааддачы, якое забяспечваецца істужачнымі ўстаўкамі, прывяло да значнага павелічэння страт на трэнне22.
Крытэрыі эфектыўнасці ліку Рэйнольдса розных нанавадкасцей у параўнанні са звычайнымі трубкамі (кут спіралі 45° і 90°).
У Дадатку A паказаны лініі току для цеплаабменнікаў 45° і 90° пры Re = 7000 з выкарыстаннем DW, 0,1% мас.-GNP-SDBS@DW і 0,1% мас.-GNP-COOH@DW.Лініі абцякання ў папярочнай плоскасці з'яўляюцца найбольш яркай рысай эфекту вітых уставак стужкі на асноўны струмень.Выкарыстанне цеплаабменнікаў 45° і 90° паказвае, што хуткасць у прысценкавай вобласці прыкладна аднолькавая.Тым часам у Дадатку B паказаны контуры хуткасці для цеплаабменнікаў 45° і 90° пры Re = 7000 з выкарыстаннем DW, 0,1% мас.-GNP-SDBS@DW і 0,1% мас.-GNP-COOH@DW.Петлі хуткасці знаходзяцца ў трох розных месцах (зрэзах), напрыклад, Plain-1 (P1 = −30 мм), Plain-4 (P4 = 60 мм) і Plain-7 (P7 = 150 мм).Хуткасць патоку каля сценкі трубы найменшая, а хуткасць вадкасці павялічваецца да цэнтра трубы.Акрамя таго, пры праходжанні праз паветравод павялічваецца зона нізкіх хуткасцяў каля сцяны.Гэта звязана з ростам гідрадынамічнага памежнага пласта, які павялічвае таўшчыню нізкахуткаснай вобласці каля сценкі.Акрамя таго, павелічэнне ліку Рэйнольдса павялічвае агульны ўзровень хуткасці ва ўсіх папярочных перасеках, тым самым памяншаючы таўшчыню вобласці нізкай хуткасці ў канале39.
Кавалентна і некавалентна функцыяналізаваныя графенавыя наналісты былі ацэнены ва ўстаўках з кручанай стужкі з вугламі спіралі 45° і 90°.Цеплаабменнік вызначаецца лікава з выкарыстаннем мадэлі турбулентнасці SST k-omega пры 7000 ≤ Re ≤ 17000. Цеплафізічныя ўласцівасці разлічаны пры Tin = 308 К. Адначасова награвайце сценку вітай трубы пры пастаяннай тэмпературы 330 К. COOH@DV) разбаўлялі ў трох масавых колькасцях, напрыклад (0,025 мас.%, 0,05 мас.% і 0,1 мас.%).У бягучым даследаванні разглядаліся шэсць асноўных фактараў: тэмпература на выхадзе, каэфіцыент цеплааддачы, сярэдні лік Нусэльта, каэфіцыент трэння, страта ціску і крытэрыі ацэнкі прадукцыйнасці.Вось асноўныя высновы:
Сярэдняя тэмпература на выхадзе (\({{T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) заўсёды меншая за 1, што азначае, што без распаўсюджвання. Тэмпература на выхадзе валентных (ZNP-SDBS@DV) і кавалентных (ZNP-COOH@DV) нанавадкасцей ніжэй, чым у асноўнай вадкасці.У той жа час сярэдняе значэнне тэмпературы на выхадзе (\({{T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\)) > 1, што паказвае на факт, што (45° і 90° кут спіралі) тэмпература на выхадзе вышэй, чым у звычайных трубах.
У абодвух выпадках сярэднія значэнні ўласцівасцей цеплаперадачы (нанавадкасць/асноўная вадкасць) і (кручаная трубка/звычайная трубка) заўсёды паказваюць >1.Некавалентныя (GNPs-SDBS@DW) нанавадкасці паказалі большае сярэдняе павелічэнне цеплааддачы, што адпавядае кавалентным (GNPs-COOH@DW) нанавадкасці.
Сярэдні каэфіцыент трэння (\({f}_{Nanofluids}/{f}_{Basefluid}\)) некавалентных (VNP-SDBS@DW) і кавалентных (VNP-COOH@DW) нанавадкасцей заўсёды ≈1 .трэнне некавалентных (ZNP-SDBS@DV) і кавалентных (ZNP-COOH@DV) нанавадкасцей (\({f}_{Twisted}/{f}_{Plain}\)) для заўсёды> 3.
У абодвух выпадках (45° і 90° вугал спіралі) нанавадкасці (GNPs-SDBS@DW) паказалі больш высокі (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) 0,025 вага.% для 2,04%, 0,05 вага.% для 2,46% і 0,1 вага.% для 3,44%.Між тым, (GNPs-COOH@DW) нанавадкасці паказалі больш нізкі (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) з 1,31% для 0,025 мас.% да 1,65% роўна 0,05 % па масе.Акрамя таго, сярэдняя страта ціску (\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\) некавалентнага (GNPs-SDBS@DW) і кавалентнага (GNPs-COOH@DW) ))) нанавадкасці заўсёды >3.
У абодвух выпадках (вуглы спіралі 45° і 90°) нанавадкасці (GNPs-SDBS@DW) паказалі больш высокае (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC} _{Basefluid}\)) значэнне @DW) , напрыклад, 0,025 мас.% – 1,17, 0,05 мас.% – 1,19, 0,1 мас.% – 1,26.У гэтым выпадку значэнні ({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\)) з выкарыстаннем (GNPs-COOH@DW) нанавадкасцей складаюць 1,02 для 0,025 мас.%, 1,05 для 0 , 05 мас.% і 1,02 складае 0,1 % па масе.Акрамя таго, пры Re = 11000 0,1 мас.%-GNPs@SDBS паказалі больш высокія значэнні (\({PEC}_{Twisted}/{PEC}_{Plain}\)), такія як 1,25 для вугла спіралі 45° і вугал спіралі 90° 1,27.
Thianpong, C. і інш.Шматмэтавая аптымізацыя патоку нанавадкасці дыяксіду тытана/вады ў цеплаабменніку, пашыраная ўстаўкамі з кручанай стужкі з дэльтападобнымі крыламі.унутр. Ж. Гарач.навука.172, 107318 (2022).
Langerudi, HG і Jawaerde, C. Эксперыментальнае даследаванне патоку неньютоновской вадкасці ў сильфонах, устаўленых з тыповымі і V-вобразнымі вітымі стужкамі.Цепла- і масаабмен 55, 937–951 (2019).
Донг, X. і інш.Эксперыментальнае даследаванне характарыстык цеплааддачы і супраціўлення цячэнню спіральна-кручанага трубчастага цеплаабменніка [J].Тэмпература нанясення.праект.176, 115397 (2020).
Yongsiri, K., Eiamsa-Ard, P., Wongcharee, K. & Eiamsa-Ard, SJCS Палепшаная цеплааддача ў турбулентным патоку канала з касымі раздзяляльнымі рэбрамі.тэматычныя даследаванні.тэмпература.праект.3, 1–10 (2014).
Час публікацыі: 17 сакавіка 2023 г