Componente químico de flexitubo de aço inoxidável 304, análise termodinâmica de nanofolhas de grafeno funcionalizadas covalentemente e não covalentemente em tubos redondos equipados com turbuladores

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304 10*1mm Tubo espiralado de aço inoxidável na China

Tamanho: 3/4 polegada, 1/2 polegada, 1 polegada, 3 polegada, 2 polegada

Comprimento do tubo da unidade: 6 metros

Classe de aço: 201, 304 E 316

Grau: 201, 202, 304, 316, 304L, 316L,

Material: aço inoxidável

Condição: Nova

Nanofluidos covalentes e não covalentes foram testados em tubos redondos equipados com inserções de fita torcida com ângulos de hélice de 45° e 90°.O número de Reynolds foi 7.000 ≤ Re ≤ 17.000, as propriedades termofísicas foram avaliadas em 308 K. O modelo físico é resolvido numericamente usando um modelo de viscosidade turbulenta de dois parâmetros (turbulência SST k-omega).As concentrações (0,025% em peso, 0,05% em peso e 0,1% em peso) dos nanofluidos ZNP-SDBS@DV e ZNP-COOH@DV foram consideradas no trabalho.As paredes dos tubos torcidos são aquecidas a uma temperatura constante de 330 K. Seis parâmetros foram considerados no presente estudo: temperatura de saída, coeficiente de transferência de calor, número médio de Nusselt, coeficiente de atrito, perda de pressão e critérios de avaliação de desempenho.Em ambos os casos (ângulo de hélice de 45° e 90°), o nanofluido ZNP-SDBS@DV apresentou características termo-hidráulicas superiores ao ZNP-COOH@DV, e aumentou com o aumento da fração de massa, por exemplo, 0,025 em peso.e 0,05 em peso.é 1,19.% e 1,26 – 0,1% em peso.Em ambos os casos (ângulo de hélice 45° e 90°), os valores das características termodinâmicas ao usar GNP-COOH@DW são 1,02 para 0,025% em peso, 1,05 para 0,05% em peso.e 1,02 para 0,1% em peso.
O trocador de calor é um dispositivo termodinâmico 1 usado para transferir calor durante operações de resfriamento e aquecimento.As propriedades termo-hidráulicas do trocador de calor melhoram o coeficiente de transferência de calor e reduzem a resistência do fluido de trabalho.Vários métodos foram desenvolvidos para melhorar a transferência de calor, incluindo intensificadores de turbulência2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 e nanofluidos12,13,14,15.A inserção de fita torcida é um dos métodos de maior sucesso para melhorar a transferência de calor em trocadores de calor devido à sua facilidade de manutenção e baixo custo7,16.
Em uma série de estudos experimentais e computacionais, foram estudadas as propriedades hidrotérmicas de misturas de nanofluidos e trocadores de calor com insertos de fita torcida.Em um trabalho experimental, as propriedades hidrotérmicas de três diferentes nanofluidos metálicos (Ag@DW, Fe@DW e Cu@DW) foram estudadas em um trocador de calor de fita torcida com agulha (STT) .Comparado com o tubo base, o coeficiente de transferência de calor do STT é melhorado em 11% e 67%.O layout SST é o melhor do ponto de vista econômico em termos de eficiência com o parâmetro α = β = 0,33.Além disso, foi observado um aumento de 18,2% em n com Ag@DW, embora o aumento máximo na perda de pressão tenha sido de apenas 8,5%.Os processos físicos de transferência de calor e perda de pressão em tubos concêntricos com e sem turbuladores enrolados foram estudados utilizando fluxos turbulentos de nanofluido Al2O3@DW com convecção forçada.O número médio máximo de Nusselt (Nuavg) e a perda de pressão são observados em Re = 20.000 quando o passo da bobina = 25 mm e nanofluido Al2O3@DW 1,6 vol.%.Estudos de laboratório também foram realizados para estudar as características de transferência de calor e perda de pressão de nanofluidos de óxido de grafeno (GO@DW) fluindo através de tubos quase circulares com insertos de WC.Os resultados mostraram que 0,12 vol%-GO@DW aumentou o coeficiente de transferência de calor convectivo em cerca de 77%.Em outro estudo experimental, nanofluidos (TiO2@DW) foram desenvolvidos para estudar as características termo-hidráulicas de tubos com covinhas equipados com inserções de fita torcida20.A eficiência hidrotérmica máxima de 1,258 foi alcançada usando 0,15 vol%-TiO2@DW embutido em eixos inclinados de 45° com um fator de torção de 3,0.Os modelos de simulação monofásicos e bifásicos (híbridos) levam em consideração o fluxo e a transferência de calor de nanofluidos CuO@DW em várias concentrações de sólidos (1–4% vol.%) .A eficiência térmica máxima de um tubo inserido com uma fita torcida é 2,18, e um tubo inserido com duas fitas torcidas nas mesmas condições é 2,04 (modelo bifásico, Re = 36.000 e 4 vol.%).O fluxo turbulento não newtoniano de nanofluidos de carboximetilcelulose (CMC) e óxido de cobre (CuO) em tubos principais e tubos com inserções torcidas foi estudado.Nuavg apresenta uma melhoria de 16,1% (para o gasoduto principal) e 60% (para o gasoduto enrolado com relação (H/D = 5)).Geralmente, uma relação de torção/fita mais baixa resulta em um coeficiente de atrito mais alto.Em um estudo experimental, o efeito de tubos com fita torcida (TT) e bobinas (VC) nas propriedades de transferência de calor e coeficiente de atrito foi estudado usando nanofluidos CuO@DW.Usando 0,3 vol.%-CuO@DW em Re = 20.000 permite aumentar a transferência de calor no tubo VK-2 para um valor máximo de 44,45%.Além disso, ao usar um cabo de par trançado e um inserto de bobina sob as mesmas condições de contorno, o coeficiente de atrito aumenta por fatores de 1,17 e 1,19 em comparação com DW.Em geral, a eficiência térmica dos nanofluidos inseridos em bobinas é melhor do que a dos nanofluidos inseridos em fios trançados.A característica volumétrica de um fluxo turbulento de nanofluidos (MWCNT@DW) foi estudada dentro de um tubo horizontal inserido em um fio espiral.Os parâmetros de desempenho térmico foram > 1 para todos os casos, indicando que a combinação da nanofluídica com o inserto da bobina melhora a transferência de calor sem consumir energia da bomba.Resumo—As características hidrotérmicas de um trocador de calor de dois tubos com vários insertos feitos de uma fita em forma de V torcida-torcida modificada (VcTT) foram estudadas sob condições de fluxo turbulento do nanofluido Al2O3 + TiO2@DW.Comparado ao DW em tubos de base, o Nuavg apresenta uma melhoria significativa de 132% e um coeficiente de atrito de até 55%.Além disso, foi discutida a eficiência energética do nanocompósito Al2O3+TiO2@DW em um trocador de calor de dois tubos26.Em seu estudo, eles descobriram que o uso de Al2O3 + TiO2@DW e TT melhorou a eficiência exergética em comparação ao DW.Em trocadores de calor tubulares concêntricos com turbuladores VcTT, Singh e Sarkar27 utilizaram materiais de mudança de fase (PCM), nanofluidos dispersos simples/nanocompósitos (Al2O3@DW com PCM e Al2O3 + PCM).Eles relataram que a transferência de calor e a perda de pressão aumentam à medida que o coeficiente de torção diminui e a concentração de nanopartículas aumenta.Um fator de profundidade de entalhe em V maior ou um fator de largura menor podem proporcionar maior transferência de calor e perda de pressão.Além disso, o grafeno-platina (Gr-Pt) tem sido usado para investigar o calor, o atrito e a taxa geral de geração de entropia em tubos com inserções 2-TT28.Seu estudo mostrou que uma porcentagem menor de (Gr-Pt) reduziu significativamente a geração de entropia de calor em comparação com um desenvolvimento de entropia friccional relativamente maior.Nanofluidos mistos de Al2O3@MgO e WC cônico podem ser considerados uma boa mistura, uma vez que uma relação aumentada (h/Δp) pode melhorar o desempenho hidrotérmico de um trocador de calor de dois tubos 29 .Um modelo numérico é usado para avaliar a economia de energia e o desempenho ambiental de trocadores de calor com vários nanofluidos híbridos de três partes (THNF) (Al2O3 + grafeno + MWCNT) suspensos em DW30.Devido aos seus Critérios de Avaliação de Desempenho (PEC) na faixa de 1,42–2,35, é necessária uma combinação de Inserto Turbulizador Torcido Deprimido (DTTI) e (Al2O3 + Grafeno + MWCNT).
Até agora, pouca atenção tem sido dada ao papel da funcionalização covalente e não covalente no fluxo hidrodinâmico em fluidos térmicos.O objetivo específico deste estudo foi comparar as características termo-hidráulicas de nanofluidos (ZNP-SDBS@DV) e (ZNP-COOH@DV) em insertos de fita torcida com ângulos de hélice de 45° e 90°.As propriedades termofísicas foram medidas em Tin = 308 K. Neste caso, três frações mássicas foram levadas em consideração no processo de comparação, como (0,025% em peso, 0,05% em peso e 0,1% em peso).A transferência de tensão de cisalhamento no modelo de fluxo turbulento 3D (SST k-ω) é usada para resolver as características termo-hidráulicas.Assim, este estudo traz uma contribuição significativa ao estudo das propriedades positivas (transferência de calor) e negativas (queda de pressão por atrito), demonstrando as características termo-hidráulicas e a otimização de fluidos de trabalho reais em tais sistemas de engenharia.
A configuração básica é um tubo liso (L = 900 mm e Dh = 20 mm).Dimensões da fita torcida inserida (comprimento = 20 mm, espessura = 0,5 mm, perfil = 30 mm).Neste caso, o comprimento, a largura e o curso do perfil espiral foram de 20 mm, 0,5 mm e 30 mm, respectivamente.As fitas torcidas são inclinadas em 45° e 90°.Vários fluidos de trabalho, como DW, nanofluidos não covalentes (GNF-SDBS@DW) e nanofluidos covalentes (GNF-COOH@DW) em Tin = 308 K, três concentrações de massa diferentes e diferentes números de Reynolds.Os testes foram realizados dentro do trocador de calor.A parede externa do tubo espiral foi aquecida a uma temperatura superficial constante de 330 K para testar os parâmetros para melhorar a transferência de calor.
Na fig.1 mostra esquematicamente um tubo de inserção de fita torcida com condições de contorno aplicáveis ​​e área de malha.Conforme mencionado anteriormente, as condições de contorno de velocidade e pressão aplicam-se às porções de entrada e saída da hélice.A uma temperatura superficial constante, uma condição antiderrapante é imposta à parede do tubo.A simulação numérica atual usa uma solução baseada em pressão.Ao mesmo tempo, um programa (ANSYS FLUENT 2020R1) é usado para converter uma equação diferencial parcial (PDE) em um sistema de equações algébricas usando o método dos volumes finitos (FMM).O método SIMPLE de segunda ordem (método semi-implícito para equações sequenciais dependentes de pressão) está relacionado à velocidade-pressão.Deve-se enfatizar que a convergência dos resíduos para as equações de massa, momento e energia é inferior a 103 e 106, respectivamente.
p Diagrama dos domínios físico e computacional: (a) ângulo de hélice 90°, (b) ângulo de hélice 45°, (c) sem lâmina helicoidal.
Um modelo homogêneo é usado para explicar as propriedades dos nanofluidos.Ao incorporar nanomateriais ao fluido base (DW), forma-se um fluido contínuo com excelentes propriedades térmicas.Nesse sentido, a temperatura e a velocidade do fluido base e do nanomaterial têm o mesmo valor.Devido às teorias e suposições acima, o fluxo monofásico eficiente funciona neste estudo.Vários estudos demonstraram a eficácia e aplicabilidade de técnicas monofásicas para fluxo nanofluídico31,32.
O fluxo de nanofluidos deve ser turbulento newtoniano, incompressível e estacionário.O trabalho de compressão e o aquecimento viscoso são irrelevantes neste estudo.Além disso, a espessura das paredes internas e externas do tubo não é levada em consideração.Portanto, as equações de conservação de massa, momento e energia que definem o modelo térmico podem ser expressas da seguinte forma:
onde \(\overrightarrow{V}\) é o vetor de velocidade média, Keff = K + Kt é a condutividade térmica efetiva de nanofluidos covalentes e não covalentes, e ε é a taxa de dissipação de energia.As propriedades termofísicas efetivas dos nanofluidos, incluindo densidade (ρ), viscosidade (μ), capacidade térmica específica (Cp) e condutividade térmica (k), mostradas na tabela, foram medidas durante um estudo experimental a uma temperatura de 308 K1 quando usado nesses simuladores.
Simulações numéricas de fluxo turbulento de nanofluidos em tubos convencionais e TT foram realizadas em números de Reynolds 7.000 ≤ Re ≤ 17.000. Essas simulações e coeficientes de transferência de calor convectivo foram analisados ​​usando o modelo de turbulência κ-ω da Mentor de transferência de tensão de cisalhamento (SST) calculado em média sobre a turbulência de Reynolds modelo Navier-Stokes, comumente usado em pesquisas aerodinâmicas.Além disso, o modelo funciona sem função de parede e é preciso próximo a paredes 35,36.(SST) As equações que governam κ-ω do modelo de turbulência são as seguintes:
onde \(S\) é o valor da taxa de deformação e \(y\) é a distância até a superfície adjacente.Enquanto isso, \({\alpha}_{1}\), \({\alpha}_{2}\), \({\beta}_{1}\), \({\beta}_{ 2 }\), \({\beta}^{*}\), \({\sigma}_{{k}_{1}}\), \({\sigma}_{{k}_{ 2 }}\), \({\sigma}_{{\omega}_{1}}\) e \({\sigma}_{{\omega}_{2}}\) denotam todas as constantes do modelo.F1 e F2 são funções mistas.Nota: F1 = 1 na camada limite, 0 no fluxo que se aproxima.
Parâmetros de avaliação de desempenho são usados ​​para estudar transferência de calor convectiva turbulenta, fluxo de nanofluidos covalentes e não covalentes, por exemplo31:
Neste contexto, (\(\rho\)), (\(v\)), (\({D}_{h}\)) e (\(\mu\)) são usados ​​para densidade, velocidade do fluido , diâmetro hidráulico e viscosidade dinâmica.(\({C}_{p}\, \mathrm{u}\, k\)) – capacidade térmica específica e condutividade térmica do fluido que flui.Além disso, (\(\dot{m}\)) refere-se ao fluxo de massa, e (\({T}_{out}-{T}_{in}\)) refere-se à diferença de temperatura de entrada e saída.(NFs) refere-se a nanofluidos covalentes e não covalentes e (DW) refere-se a água destilada (fluido base).\({A}_{s} = \pi DL\), \({\overline{T}}_{f}=\frac{\left({T}_{out}-{T}_{in }\right)}{2}\) e \({\overline{T}}_{w}=\sum \frac{{T}_{w}}{n}\).
As propriedades termofísicas do fluido base (DW), nanofluido não covalente (GNF-SDBS@DW) e nanofluido covalente (GNF-COOH@DW) foram retiradas da literatura publicada (estudos experimentais), Sn = 308 K, como mostrado na Tabela 134. Em um experimento típico para obter um nanofluido não covalente (GNP-SDBS@DW) com porcentagens de massa conhecidas, certos gramas de PNB primários foram inicialmente pesados ​​em uma balança digital.A proporção em peso de SDBS/PNB nativo é (0,5:1) ponderada em DW.Neste caso, nanofluidos covalentes (COOH-GNP@DW) foram sintetizados adicionando grupos carboxila à superfície do GNP usando um meio fortemente ácido com uma proporção de volume (1:3) de HNO3 e H2SO4.Nanofluidos covalentes e não covalentes foram suspensos em DW em três porcentagens de peso diferentes, como 0,025% em peso, 0,05% em peso.e 0,1% da massa.
Testes de independência de malha foram realizados em quatro domínios computacionais diferentes para garantir que o tamanho da malha não afetasse a simulação.No caso de tubo de torção de 45°, o número de unidades com tamanho de unidade 1,75 mm é 249.033, o número de unidades com tamanho de unidade 2 mm é 307.969, o número de unidades com tamanho de unidade 2,25 mm é 421.406 e o ​​número de unidades com tamanho de unidade 2,5 mm 564 940 respectivamente.Além disso, no exemplo de um tubo torcido de 90°, o número de elementos com tamanho de elemento de 1,75 mm é 245.531, o número de elementos com tamanho de elemento de 2 mm é 311.584, o número de elementos com tamanho de elemento de 2,25 mm é 422.708, e o número de elementos com tamanho de elemento de 2,5 mm é respectivamente 573.826.A precisão das leituras de propriedades térmicas como (Tout, htc e Nuavg) aumenta à medida que o número de elementos diminui.Ao mesmo tempo, a precisão dos valores do coeficiente de atrito e da queda de pressão apresentou um comportamento completamente diferente (Fig. 2).A grade (2) foi utilizada como área principal da grade para avaliar as características termo-hidráulicas no caso simulado.
Testando o desempenho da transferência de calor e da queda de pressão independentemente da malha usando pares de tubos DW torcidos a 45° e 90°.
Os presentes resultados numéricos foram validados para desempenho de transferência de calor e coeficiente de atrito usando correlações e equações empíricas bem conhecidas, como Dittus-Belter, Petukhov, Gnelinsky, Notter-Rouse e Blasius.A comparação foi realizada na condição 7000≤Re≤17000.De acordo com a fig.3, os erros médios e máximos entre os resultados da simulação e a equação de transferência de calor são 4,050 e 5,490% (Dittus-Belter), 9,736 e 11,33% (Petukhov), 4,007 e 7,483% (Gnelinsky) e 3,883% e 4,937% ( Nott-Belter).Rosa).Neste caso, os erros médios e máximos entre os resultados da simulação e a equação do coeficiente de atrito são 7,346% e 8,039% (Blasius) e 8,117% e 9,002% (Petukhov), respectivamente.
Transferência de calor e propriedades hidrodinâmicas de DW em vários números de Reynolds usando cálculos numéricos e correlações empíricas.
Esta seção discute as propriedades térmicas de nanofluidos aquosos não covalentes (LNP-SDBS) e covalentes (LNP-COOH) em três frações de massa diferentes e números de Reynolds como médias relativas ao fluido base (DW).Duas geometrias de trocadores de calor de correia espiralada (ângulo de hélice 45° e 90°) são discutidas para 7000 ≤ Re ≤ 17000. Na fig.4 mostra a temperatura média na saída do nanofluido para o fluido base (DW) (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{ DW } } \) ) em (0,025% em peso, 0,05% em peso e 0,1% em peso).(\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) é sempre menor que 1, o que significa que a temperatura de saída são nanofluidos não covalentes (VNP-SDBS) e covalentes (VNP-COOH) estão abaixo da temperatura na saída do líquido base.As reduções mais baixas e mais altas foram de 0,1% em peso -COOH@GNPs e 0,1% em peso-SDBS@GNPs, respectivamente.Este fenômeno se deve a um aumento no número de Reynolds em uma fração de massa constante, o que leva a uma mudança nas propriedades do nanofluido (ou seja, densidade e viscosidade dinâmica).
As Figuras 5 e 6 mostram as características médias de transferência de calor do nanofluido para o fluido de base (DW) a (0,025% em peso, 0,05% em peso e 0,1% em peso).As propriedades médias de transferência de calor são sempre superiores a 1, o que significa que as propriedades de transferência de calor dos nanofluidos não covalentes (LNP-SDBS) e covalentes (LNP-COOH) são melhoradas em comparação com o fluido base.0,1% em peso -COOH@GNPs e 0,1% em peso -SDBS@GNPs alcançaram o menor e o maior ganho, respectivamente.Quando o número de Reynolds aumenta devido à maior mistura de fluidos e turbulência no tubo 1, o desempenho da transferência de calor melhora.Os fluidos através de pequenas lacunas atingem velocidades mais altas, resultando em uma camada limite de velocidade/calor mais fina, o que aumenta a taxa de transferência de calor.Adicionar mais nanopartículas ao fluido base pode ter resultados positivos e negativos.Os efeitos benéficos incluem aumento de colisões de nanopartículas, requisitos favoráveis ​​de condutividade térmica de fluidos e maior transferência de calor.
Coeficiente de transferência de calor do nanofluido para o fluido base dependendo do número de Reynolds para tubos de 45° e 90°.
Ao mesmo tempo, um efeito negativo é o aumento da viscosidade dinâmica do nanofluido, o que reduz a mobilidade do nanofluido, reduzindo assim o número médio de Nusselt (Nuavg).O aumento da condutividade térmica dos nanofluidos (ZNP-SDBS@DW) e (ZNP-COOH@DW) deve ser devido ao movimento browniano e à microconvecção de nanopartículas de grafeno suspensas em DW37.A condutividade térmica do nanofluido (ZNP-COOH@DV) é maior que a do nanofluido (ZNP-SDBS@DV) e da água destilada.A adição de mais nanomateriais ao fluido base aumenta sua condutividade térmica (Tabela 1)38.
A Figura 7 ilustra o coeficiente médio de atrito de nanofluidos com fluido base (DW) (f(NFs)/f(DW)) em porcentagem em massa (0,025%, 0,05% e 0,1%).O coeficiente de atrito médio é sempre ≈1, o que significa que nanofluidos não covalentes (GNF-SDBS@DW) e covalentes (GNF-COOH@DW) têm o mesmo coeficiente de atrito que o fluido base.Um trocador de calor com menos espaço cria mais obstrução do fluxo e aumenta o atrito do fluxo1.Basicamente, o coeficiente de atrito aumenta ligeiramente com o aumento da fração de massa do nanofluido.As maiores perdas por atrito são causadas pelo aumento da viscosidade dinâmica do nanofluido e pelo aumento da tensão de cisalhamento na superfície com uma maior porcentagem de massa de nanografeno no fluido base.A Tabela (1) mostra que a viscosidade dinâmica do nanofluido (ZNP-SDBS@DV) é maior que a do nanofluido (ZNP-COOH@DV) na mesma porcentagem em peso, o que está associado à adição de efeitos de superfície.agentes ativos em um nanofluido não covalente.
Na fig.8 mostra o nanofluido comparado ao fluido base (DW) (\(\frac{{\Delta P}_{NFs}}{{\Delta P}_{DW}}\)) em (0,025%, 0,05% e 0,1% ).O nanofluido não covalente (GNPs-SDBS@DW) apresentou maior perda média de pressão, e com aumento na porcentagem de massa para 2,04% para 0,025% em peso, 2,46% para 0,05% em peso.e 3,44% para 0,1% em peso.com alargamento da caixa (ângulo de hélice 45° e 90°).Enquanto isso, o nanofluido (GNPs-COOH@DW) apresentou menor perda média de pressão, passando de 1,31% para 0,025% em peso.até 1,65% a 0,05% em peso.A perda de pressão média de 0,05% em peso -COOH@NP e 0,1% em peso -COOH@NP é de 1,65%.Como pode ser visto, a queda de pressão aumenta com o aumento do número Re em todos os casos.Um aumento na queda de pressão em valores elevados de Re é indicado por uma dependência direta do fluxo volumétrico.Portanto, um maior número de Re no tubo leva a uma maior queda de pressão, o que requer um aumento na potência da bomba39,40.Além disso, as perdas de pressão são maiores devido à maior intensidade de redemoinhos e turbulências geradas pela maior área superficial, o que aumenta a interação das forças de pressão e inércia na camada limite1.
Em geral, os critérios de avaliação de desempenho (PEC) para nanofluidos não covalentes (VNP-SDBS@DW) e covalentes (VNP-COOH@DW) são mostrados nas Figs.9. O nanofluido (ZNP-SDBS@DV) apresentou valores de PEC mais elevados do que (ZNP-COOH@DV) em ambos os casos (ângulo de hélice 45° e 90°) e foi melhorado aumentando a fração de massa, por exemplo, 0,025 % em peso.é 1,17, 0,05% em peso é 1,19 e 0,1% em peso é 1,26.Enquanto isso, os valores de PEC usando nanofluidos (GNPs-COOH@DW) foram 1,02 para 0,025% em peso, 1,05 para 0,05% em peso, 1,05 para 0,1% em peso.em ambos os casos (ângulo da hélice 45° e 90°).1.02.Via de regra, com o aumento do número de Reynolds, a eficiência termo-hidráulica diminui significativamente.À medida que o número de Reynolds aumenta, a diminuição do coeficiente de eficiência termo-hidráulica está sistematicamente associada ao aumento de (NuNFs/NuDW) e à diminuição de (fNFs/fDW).
Propriedades hidrotérmicas de nanofluidos em relação a fluidos de base dependendo dos números de Reynolds para tubos com ângulos de 45° e 90°.
Esta seção discute as propriedades térmicas de nanofluidos de água (DW), não covalentes (VNP-SDBS@DW) e covalentes (VNP-COOH@DW) em três diferentes concentrações de massa e números de Reynolds.Duas geometrias de trocadores de calor de correia espiral foram consideradas na faixa 7000 ≤ Re ≤ 17000 em relação aos tubos convencionais (ângulos de hélice 45° e 90°) para avaliar o desempenho termo-hidráulico médio.Na fig.10 mostra a temperatura da água e dos nanofluidos na saída como uma média usando (ângulo de hélice 45° e 90°) para um tubo comum (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{ {T} _{saída}}_{Regular}}\)).Nanofluidos não covalentes (GNP-SDBS@DW) e covalentes (GNP-COOH@DW) têm três frações de peso diferentes, como 0,025% em peso, 0,05% em peso e 0,1% em peso.Como mostrado na fig.11, o valor médio da temperatura de saída (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{{T}_{out}}_{Plain}}\)) > 1, indicando que (ângulo de hélice de 45° e 90°) a temperatura na saída do trocador de calor é mais significativa que a de um tubo convencional, devido à maior intensidade de turbulência e melhor mistura do líquido.Além disso, a temperatura na saída do DW, dos nanofluidos não covalentes e covalentes diminuiu com o aumento do número de Reynolds.O fluido base (DW) tem a temperatura média de saída mais alta.Enquanto isso, o valor mais baixo refere-se a 0,1% em peso -SDBS@PNB.Os nanofluidos não covalentes (GNPs-SDBS@DW) apresentaram uma temperatura média de saída mais baixa em comparação com os nanofluidos covalentes (GNPs-COOH@DW).Como a fita torcida torna o campo de fluxo mais misturado, o fluxo de calor próximo à parede pode passar mais facilmente pelo líquido, aumentando a temperatura geral.Uma proporção menor entre torção e fita resulta em melhor penetração e, portanto, melhor transferência de calor.Por outro lado, percebe-se que a fita enrolada mantém uma temperatura mais baixa contra a parede, o que por sua vez aumenta o Nuavg.Para inserções de fita torcida, um valor Nuavg mais alto indica melhor transferência de calor por convecção dentro do tubo22.Devido ao aumento do percurso do fluxo e à mistura e turbulência adicionais, o tempo de residência aumenta, resultando num aumento na temperatura do líquido na saída41.
Números de Reynolds de vários nanofluidos em relação à temperatura de saída de tubos convencionais (ângulos de hélice de 45° e 90°).
Coeficientes de transferência de calor (ângulo de hélice de 45° e 90°) versus números de Reynolds para vários nanofluidos em comparação com tubos convencionais.
O principal mecanismo de transferência de calor aprimorada da fita enrolada é o seguinte: 1. A redução do diâmetro hidráulico do tubo de troca de calor leva a um aumento na velocidade e na curvatura do fluxo, o que por sua vez aumenta a tensão de cisalhamento na parede e promove o movimento secundário.2. Devido ao bloqueio da fita enrolada, a velocidade na parede do tubo aumenta e a espessura da camada limite diminui.3. O fluxo em espiral atrás da correia torcida leva a um aumento na velocidade.4. Os vórtices induzidos melhoram a mistura de fluidos entre as regiões central e próxima à parede do fluxo .Na fig.11 e fig.12 mostra as propriedades de transferência de calor de DW e nanofluidos, por exemplo (coeficiente de transferência de calor e número médio de Nusselt) como médias usando tubos de inserção de fita torcida em comparação com tubos convencionais.Nanofluidos não covalentes (GNP-SDBS@DW) e covalentes (GNP-COOH@DW) têm três frações de peso diferentes, como 0,025% em peso, 0,05% em peso e 0,1% em peso.Em ambos os trocadores de calor (ângulo de hélice de 45° e 90°) o desempenho médio de transferência de calor é >1, indicando uma melhoria no coeficiente de transferência de calor e no número médio de Nusselt com tubos enrolados em comparação com tubos convencionais.Os nanofluidos não covalentes (GNPs-SDBS@DW) apresentaram maior melhoria média na transferência de calor do que os nanofluidos covalentes (GNPs-COOH@DW).Em Re = 900, a melhoria de 0,1% em peso no desempenho da transferência de calor -SDBS@GNPs para os dois trocadores de calor (ângulo de hélice de 45° e 90°) foi a mais alta, com um valor de 1,90.Isso significa que o efeito TP uniforme é mais importante em velocidades mais baixas do fluido (número de Reynolds) e aumentando a intensidade da turbulência.Devido à introdução de múltiplos vórtices, o coeficiente de transferência de calor e o número médio de Nusselt dos tubos TT são superiores aos dos tubos convencionais, resultando em uma camada limite mais fina.A presença de HP aumenta a intensidade da turbulência, mistura dos fluxos de fluido de trabalho e melhora a transferência de calor em comparação aos tubos de base (sem inserção de fita torcida-torcida)21.
Número médio de Nusselt (ângulo de hélice 45° e 90°) versus número de Reynolds para vários nanofluidos em comparação com tubos convencionais.
As Figuras 13 e 14 mostram o coeficiente médio de atrito (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain}}\)) e a perda de pressão (\(\frac{{\Delta P} _ {Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\}} cerca de 45° e 90° para tubos convencionais usando nanofluidos DW, (GNPs-SDBS@DW) e (GNPs-COOH@DW) trocador de íons contém (0,025% em peso, 0,05% em peso e 0,1% em peso). { {f}_{Plain} }\)) e perda de pressão (\(\frac{{ \Delta P}_{Twisted}}{{\Delta P }_{Plain}}\}) diminui. Nos casos, o coeficiente de atrito e a perda de pressão são maiores em números de Reynolds mais baixos O coeficiente de atrito médio e a perda de pressão estão entre 3,78 e 3,12 O coeficiente de atrito médio e a perda de pressão mostram que (hélice de 45° ângulo e 90°) o custo do trocador de calor é três vezes maior do que os tubos convencionais. Além disso, quando o fluido de trabalho flui a uma velocidade mais alta, o coeficiente de atrito diminui. O problema surge porque à medida que o número de Reynolds aumenta, a espessura da camada limite diminui, o que leva à diminuição do efeito da viscosidade dinâmica na área afetada, à diminuição dos gradientes de velocidade e das tensões de cisalhamento e, consequentemente, à diminuição do coeficiente de atrito21.O melhor efeito de bloqueio devido à presença de TT e ao aumento do turbilhão resulta em perdas de pressão significativamente maiores para tubos TT heterogêneos do que para tubos de base.Além disso, tanto para o tubo base quanto para o tubo TT, pode-se observar que a queda de pressão aumenta com a velocidade do fluido de trabalho43.
Coeficiente de atrito (ângulo de hélice de 45° e 90°) versus número de Reynolds para vários nanofluidos em comparação com tubos convencionais.
Perda de pressão (ângulo de hélice de 45° e 90°) em função do número de Reynolds para vários nanofluidos em relação a um tubo convencional.
Em resumo, a Figura 15 mostra os critérios de avaliação de desempenho (PEC) para trocadores de calor com ângulos de 45° e 90° em comparação com tubos lisos (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}} \ )) em (0,025% em peso, 0,05% em peso e 0,1% em peso) usando nanofluidos DV, (VNP-SDBS@DV) e covalentes (VNP-COOH@DV).O valor (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) > 1 em ambos os casos (ângulo de hélice de 45° e 90°) no trocador de calor.Além disso, (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) atinge seu melhor valor em Re = 11.000.O trocador de calor de 90° mostra um ligeiro aumento em (\ (\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) em comparação com um trocador de calor de 45°., Em Re = 11.000 0,1% em peso -PNB@SDBS representa valores mais altos (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)), por exemplo, 1,25 para canto do trocador de calor de 45° e 1,27 para trocador de calor de canto de 90°.É maior que um em todas as porcentagens de fração de massa, o que indica que os tubos com inserções de fita torcida são superiores aos tubos convencionais.Notavelmente, a melhor transferência de calor proporcionada pelas inserções de fita resultou em um aumento significativo nas perdas por atrito22.
Critérios de eficiência para o número de Reynolds de diversos nanofluidos em relação aos tubos convencionais (ângulo de hélice de 45° e 90°).
O Apêndice A mostra linhas de fluxo para trocadores de calor de 45° e 90° em Re = 7000 usando DW, 0,1% em peso -GNP-SDBS@DW e 0,1% em peso -GNP-COOH@DW.As linhas de corrente no plano transversal são a característica mais marcante do efeito das inserções de fita torcida no fluxo principal.O uso de trocadores de calor de 45° e 90° mostra que a velocidade na região próxima à parede é aproximadamente a mesma.Enquanto isso, o Apêndice B mostra os contornos de velocidade para trocadores de calor de 45° e 90° em Re = 7000 usando DW, 0,1% em peso -GNP-SDBS@DW e 0,1% em peso -GNP-COOH@DW.Os loops de velocidade estão em três locais diferentes (fatias), por exemplo, Planície-1 (P1 = −30mm), Planície-4 (P4 = 60mm) e Planície-7 (P7 = 150mm).A velocidade do fluxo próximo à parede do tubo é mais baixa e a velocidade do fluido aumenta em direção ao centro do tubo.Além disso, ao passar pelo duto de ar, a área de baixas velocidades próxima à parede aumenta.Isto se deve ao crescimento da camada limite hidrodinâmica, que aumenta a espessura da região de baixa velocidade próxima à parede.Além disso, o aumento do número de Reynolds aumenta o nível geral de velocidade em todas as seções transversais, reduzindo assim a espessura da região de baixa velocidade no canal .
Nanofolhas de grafeno funcionalizadas covalentemente e não covalentemente foram avaliadas em inserções de fita torcida com ângulos de hélice de 45° e 90°.O trocador de calor é resolvido numericamente usando o modelo de turbulência SST k-omega em 7.000 ≤ Re ≤ 17.000. As propriedades termofísicas são calculadas em Tin = 308 K. Aqueça simultaneamente a parede do tubo torcido a uma temperatura constante de 330 K. COOH@DV) foi diluído em três quantidades de massa, por exemplo (0,025% em peso, 0,05% em peso e 0,1% em peso).O presente estudo considerou seis fatores principais: temperatura de saída, coeficiente de transferência de calor, número médio de Nusselt, coeficiente de atrito, perda de pressão e critérios de avaliação de desempenho.Aqui estão as principais descobertas:
A temperatura média de saída (\({{T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) é sempre menor que 1, o que significa que não espalhado A temperatura de saída dos nanofluidos de valência (ZNP-SDBS@DV) e covalentes (ZNP-COOH@DV) é inferior à do líquido base.Enquanto isso, o valor médio da temperatura de saída (\({{T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\)) > 1, indicando para o fato de que (ângulo de hélice de 45° e 90°) a temperatura de saída é mais alta do que nos tubos convencionais.
Em ambos os casos, os valores médios das propriedades de transferência de calor (nanofluido/fluido base) e (tubo torcido/tubo normal) mostram sempre >1.Os nanofluidos não covalentes (GNPs-SDBS@DW) apresentaram um aumento médio maior na transferência de calor, correspondendo aos nanofluidos covalentes (GNPs-COOH@DW).
O coeficiente de atrito médio (\({f}_{Nanofluidos}/{f}_{Basefluid}\)) de nanofluidos não covalentes (VNP-SDBS@DW) e covalentes (VNP-COOH@DW) é sempre ≈1 .fricção de nanofluidos não covalentes (ZNP-SDBS@DV) e covalentes (ZNP-COOH@DV) (\({f}_{Twisted}/{f}_{Plain}\)) para sempre > 3.
Em ambos os casos (ângulo de hélice de 45° e 90°), os nanofluidos (GNPs-SDBS@DW) apresentaram maior (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) 0,025 % em peso para 2,04%, 0,05% em peso para 2,46% e 0,1% em peso para 3,44%.Enquanto isso, nanofluidos (GNPs-COOH@DW) mostraram menor (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) de 1,31% para 0,025% em peso a 1,65% é 0,05 % por peso.Além disso, a perda de pressão média (\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\) de não covalentes (GNPs-SDBS@DW) e covalentes (GNPs-COOH@DW ))) nanofluidos sempre >3.
Em ambos os casos (ângulos de hélice de 45° e 90°), os nanofluidos (GNPs-SDBS@DW) apresentaram um valor maior (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC} _{Basefluid}\)) @DW) , por exemplo, 0,025% em peso - 1,17, 0,05% em peso - 1,19, 0,1% em peso - 1,26.Neste caso, os valores de (\({PEC}_{Nanofluidos}/{PEC}_{Basefluid}\)) usando nanofluidos (GNPs-COOH@DW) são 1,02 para 0,025% em peso, 1,05 para 0 , 05 peso.% e 1,02 é 0,1% em peso.Além disso, em Re = 11.000, 0,1% em peso-GNPs@SDBS apresentou valores mais altos (\({PEC}_{Twisted}/{PEC}_{Plain}\)), como 1,25 para ângulo de hélice de 45° e ângulo de hélice de 90° 1,27.
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