Composant chimique pour tubes enroulés en acier inoxydable 304, analyse thermodynamique de nanofeuilles de graphène fonctionnalisées de manière covalente et non covalente dans des tubes ronds équipés de turbulateurs

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Tubes enroulés en acier inoxydable 304 10*1 mm en Chine

Taille: 3/4 pouces, 1/2 pouces, 1 pouce, 3 pouces, 2 pouces

Longueur du tuyau unitaire : 6 mètres

Nuance d'acier : 201, 304 ET 316

Qualité : 201, 202, 304, 316, 304L, 316 L,

Matériel: acier inoxydable

Condition: Nouveau

Les nanofluides covalents et non covalents ont été testés dans des tubes ronds équipés d'inserts en ruban torsadé avec des angles d'hélice de 45° et 90°.Le nombre de Reynolds était 7000 ≤ Re ≤ 17000, les propriétés thermophysiques ont été évaluées à 308 K. Le modèle physique est résolu numériquement à l'aide d'un modèle de viscosité turbulente à deux paramètres (turbulence SST k-omega).Les concentrations (0,025% en poids, 0,05% en poids et 0,1% en poids) des nanofluides ZNP-SDBS@DV et ZNP-COOH@DV ont été prises en compte dans les travaux.Les parois des tubes torsadés sont chauffées à une température constante de 330 K. Six paramètres ont été pris en compte dans la présente étude : la température de sortie, le coefficient de transfert thermique, le nombre de Nusselt moyen, le coefficient de frottement, la perte de charge et les critères d'évaluation des performances.Dans les deux cas (angle d'hélice de 45° et 90°), le nanofluide ZNP-SDBS@DV présentait des caractéristiques thermohydrauliques plus élevées que celles du ZNP-COOH@DV, et augmentait avec l'augmentation de la fraction massique, par exemple 0,025 en poids., et 0,05 en poids.est 1,19.% et 1,26 – 0,1 % en poids.Dans les deux cas (angle d'hélice 45° et 90°), les valeurs des caractéristiques thermodynamiques lors de l'utilisation de GNP-COOH@DW sont de 1,02 pour 0,025% poids, 1,05 pour 0,05% poids.et 1,02 pour 0,1% en poids.
L'échangeur thermique est un dispositif thermodynamique 1 utilisé pour transférer de la chaleur lors des opérations de refroidissement et de chauffage.Les propriétés thermohydrauliques de l'échangeur de chaleur améliorent le coefficient de transfert de chaleur et réduisent la résistance du fluide de travail.Plusieurs méthodes ont été développées pour améliorer le transfert de chaleur, notamment les amplificateurs de turbulence2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 et les nanofluides12,13,14,15.L'insertion de ruban torsadé est l'une des méthodes les plus efficaces pour améliorer le transfert de chaleur dans les échangeurs de chaleur en raison de sa facilité d'entretien et de son faible coût7,16.
Dans une série d’études expérimentales et informatiques, les propriétés hydrothermales de mélanges de nanofluides et d’échangeurs de chaleur dotés d’inserts en ruban torsadé ont été étudiées.Dans un travail expérimental, les propriétés hydrothermales de trois nanofluides métalliques différents (Ag@DW, Fe@DW et Cu@DW) ont été étudiées dans un échangeur de chaleur à bande torsadée à aiguilles (STT)17.Par rapport au tuyau de base, le coefficient de transfert thermique du STT est amélioré de 11 % et 67 %.Le tracé SST est le meilleur d'un point de vue économique en terme d'efficacité avec le paramètre α = β = 0,33.De plus, une augmentation de 18,2 % de n a été observée avec Ag@DW, bien que l'augmentation maximale de la perte de pression n'ait été que de 8,5 %.Les processus physiques de transfert de chaleur et de perte de pression dans des tuyaux concentriques avec et sans turbulateurs enroulés ont été étudiés en utilisant des écoulements turbulents de nanofluide Al2O3@DW à convection forcée.Le nombre de Nusselt moyen maximum (Nuavg) et la perte de charge sont observés à Re = 20 000 lorsque le pas de bobine = 25 mm et le nanofluide Al2O3@DW 1,6 % en volume.Des études en laboratoire ont également été menées pour étudier les caractéristiques de transfert de chaleur et de perte de pression des nanofluides d'oxyde de graphène (GO@DW) circulant dans des tubes presque circulaires dotés d'inserts WC.Les résultats ont montré que 0,12 vol%-GO@DW augmentait le coefficient de transfert de chaleur par convection d'environ 77 %.Dans une autre étude expérimentale, des nanofluides (TiO2@DW) ont été développés pour étudier les caractéristiques thermohydrauliques de tubes alvéolés équipés d'inserts en ruban torsadé20.L'efficacité hydrothermique maximale de 1,258 a été obtenue en utilisant 0,15 % en volume de TiO2@DW intégré dans des puits inclinés à 45° avec un facteur de torsion de 3,0.Les modèles de simulation monophasés et biphasés (hybrides) prennent en compte le flux et le transfert de chaleur des nanofluides CuO@DW à différentes concentrations de solides (1 à 4 % en volume)21.L'efficacité thermique maximale d'un tube inséré avec un ruban torsadé est de 2,18, et d'un tube inséré avec deux rubans torsadés dans les mêmes conditions est de 2,04 (modèle biphasé, Re = 36 000 et 4 vol.%).L'écoulement nanofluidique turbulent non newtonien de carboxyméthylcellulose (CMC) et d'oxyde de cuivre (CuO) dans les conduites principales et les conduites à inserts torsadés a été étudié.Nuavg montre une amélioration de 16,1% (pour le pipeline principal) et de 60% (pour le pipeline enroulé avec un rapport de (H/D = 5)).Généralement, un rapport torsion/ruban plus faible entraîne un coefficient de friction plus élevé.Dans une étude expérimentale, l'effet de tuyaux avec ruban torsadé (TT) et bobines (VC) sur les propriétés de transfert de chaleur et le coefficient de frottement a été étudié à l'aide de nanofluides CuO@DW.En utilisant 0,3 vol.%-CuO@DW à Re = 20 000 permet d'augmenter le transfert de chaleur dans le tube VK-2 jusqu'à une valeur maximale de 44,45 %.De plus, lors de l'utilisation d'un câble à paire torsadée et d'un insert de bobine dans les mêmes conditions limites, le coefficient de frottement augmente par des facteurs de 1,17 et 1,19 par rapport au DW.En général, l’efficacité thermique des nanofluides insérés dans des bobines est meilleure que celle des nanofluides insérés dans des fils toronnés.La caractéristique volumétrique d'un écoulement nanofluidique turbulent (MWCNT@DW) a été étudiée à l'intérieur d'un tube horizontal inséré dans un fil en spirale.Les paramètres de performance thermique étaient > 1 dans tous les cas, ce qui indique que la combinaison de la nanofluidique avec l'insert de bobine améliore le transfert de chaleur sans consommer la puissance de la pompe.Résumé — Les caractéristiques hydrothermales d'un échangeur de chaleur à deux tubes avec divers inserts constitués d'un ruban en forme de V torsadé-torsadé modifié (VcTT) ont été étudiées dans des conditions d'écoulement turbulent du nanofluide Al2O3 + TiO2@DW.Par rapport au DW des tubes de base, Nuavg présente une amélioration significative de 132 % et un coefficient de frottement allant jusqu'à 55 %.De plus, l’efficacité énergétique du nanocomposite Al2O3+TiO2@DW dans un échangeur de chaleur à deux tuyaux26 a été discutée.Dans leur étude, ils ont constaté que l’utilisation de Al2O3 + TiO2@DW et TT améliorait l’efficacité exergétique par rapport au DW.Dans des échangeurs de chaleur tubulaires concentriques équipés de turbulateurs VcTT, Singh et Sarkar27 ont utilisé des matériaux à changement de phase (PCM), des nanofluides dispersés simples/nanocomposites (Al2O3@DW avec PCM et Al2O3 + PCM).Ils ont rapporté que le transfert de chaleur et la perte de pression augmentent à mesure que le coefficient de torsion diminue et que la concentration de nanoparticules augmente.Un facteur de profondeur d'encoche en V plus grand ou un facteur de largeur plus petit peut fournir un transfert de chaleur et une perte de pression plus importants.De plus, le graphène-platine (Gr-Pt) a été utilisé pour étudier la chaleur, la friction et le taux global de génération d'entropie dans des tubes dotés d'inserts 2-TT28.Leur étude a montré qu’un pourcentage plus faible de (Gr-Pt) réduisait considérablement la génération d’entropie thermique par rapport à un développement d’entropie de friction relativement plus élevé.Les nanofluides mixtes Al2O3@MgO et WC conique peuvent être considérés comme un bon mélange, car un rapport accru (h/Δp) peut améliorer les performances hydrothermiques d'un échangeur de chaleur à deux tubes 29 .Un modèle numérique est utilisé pour évaluer les performances en matière d'économie d'énergie et environnementales des échangeurs de chaleur avec divers nanofluides hybrides en trois parties (THNF) (Al2O3 + graphène + MWCNT) en suspension dans du DW30.En raison de ses critères d'évaluation des performances (PEC) compris entre 1,42 et 2,35, une combinaison d'insert de turbuliseur torsadé déprimé (DTTI) et (Al2O3 + graphène + MWCNT) est requise.
Jusqu’à présent, peu d’attention a été accordée au rôle de la fonctionnalisation covalente et non covalente dans l’écoulement hydrodynamique des fluides thermiques.Le but spécifique de cette étude était de comparer les caractéristiques thermohydrauliques des nanofluides (ZNP-SDBS@DV) et (ZNP-COOH@DV) dans des inserts en ruban torsadé avec des angles d'hélice de 45° et 90°.Les propriétés thermophysiques ont été mesurées à Tin = 308 K. Dans ce cas, trois fractions massiques ont été prises en compte dans le processus de comparaison, telles que (0,025 % en poids, 0,05 % en poids et 0,1 % en poids).Le transfert de contrainte de cisaillement dans le modèle d'écoulement turbulent 3D (SST k-ω) est utilisé pour résoudre les caractéristiques thermohydrauliques.Ainsi, cette étude apporte une contribution significative à l'étude des propriétés positives (transfert de chaleur) et négatives (chute de pression lors du frottement), démontrant les caractéristiques thermohydrauliques et l'optimisation des fluides de travail réels dans de tels systèmes d'ingénierie.
La configuration de base est un tube lisse (L = 900 mm et Dh = 20 mm).Dimensions du ruban torsadé inséré (longueur = 20 mm, épaisseur = 0,5 mm, profil = 30 mm).Dans ce cas, la longueur, la largeur et la course du profil en spirale étaient respectivement de 20 mm, 0,5 mm et 30 mm.Les rubans torsadés sont inclinés à 45° et 90°.Divers fluides de travail tels que DW, nanofluides non covalents (GNF-SDBS@DW) et nanofluides covalents (GNF-COOH@DW) à Tin = 308 K, trois concentrations massiques différentes et différents nombres de Reynolds.Les tests ont été réalisés à l'intérieur de l'échangeur thermique.La paroi extérieure du tube en spirale a été chauffée à une température de surface constante de 330 K pour tester les paramètres permettant d'améliorer le transfert de chaleur.
Sur la fig.1 montre schématiquement un tube d'insertion de ruban torsadé avec des conditions aux limites applicables et une zone maillée.Comme mentionné précédemment, les conditions aux limites de vitesse et de pression s'appliquent aux parties d'entrée et de sortie de l'hélice.À température de surface constante, une condition antidérapante est imposée à la paroi du tuyau.La simulation numérique actuelle utilise une solution basée sur la pression.Parallèlement, un programme (ANSYS FLUENT 2020R1) est utilisé pour convertir une équation aux dérivées partielles (PDE) en un système d'équations algébriques en utilisant la méthode des volumes finis (FMM).La méthode SIMPLE du second ordre (méthode semi-implicite pour les équations séquentielles dépendantes de la pression) est liée à la vitesse-pression.Il convient de souligner que la convergence des résidus pour les équations de masse, de quantité de mouvement et d'énergie est inférieure à 103 et 106, respectivement.
p Schéma des domaines physiques et informatiques : (a) angle d'hélice 90°, (b) angle d'hélice 45°, (c) pas de pale hélicoïdale.
Un modèle homogène est utilisé pour expliquer les propriétés des nanofluides.En incorporant des nanomatériaux dans le fluide de base (DW), un fluide continu doté d'excellentes propriétés thermiques est formé.À cet égard, la température et la vitesse du fluide de base et du nanomatériau ont la même valeur.En raison des théories et hypothèses ci-dessus, un écoulement monophasique efficace fonctionne dans cette étude.Plusieurs études ont démontré l’efficacité et l’applicabilité des techniques monophasiques pour le flux nanofluidique31,32.
Le flux de nanofluides doit être turbulent newtonien, incompressible et stationnaire.Le travail de compression et le chauffage visqueux ne sont pas pertinents dans cette étude.De plus, l'épaisseur des parois intérieure et extérieure du tuyau n'est pas prise en compte.Par conséquent, les équations de masse, de quantité de mouvement et de conservation de l’énergie qui définissent le modèle thermique peuvent être exprimées comme suit :
où \(\overrightarrow{V}\) est le vecteur vitesse moyenne, Keff = K + Kt est la conductivité thermique effective des nanofluides covalents et non covalents, et ε est le taux de dissipation d'énergie.Les propriétés thermophysiques efficaces des nanofluides, notamment la densité (ρ), la viscosité (μ), la capacité thermique spécifique (Cp) et la conductivité thermique (k), présentées dans le tableau, ont été mesurées au cours d'une étude expérimentale à une température de 308 K1 lorsqu'ils sont utilisés. dans ces simulateurs.
Des simulations numériques de l'écoulement turbulent de nanofluides dans des tubes conventionnels et TT ont été réalisées à des nombres de Reynolds 7 000 ≤ Re ≤ 17 000. Ces simulations et coefficients de transfert de chaleur par convection ont été analysés à l'aide du modèle de turbulence κ-ω de Mentor de transfert de contrainte de cisaillement (SST) moyenné sur la turbulence de Reynolds. modèle Navier-Stokes, couramment utilisé dans la recherche aérodynamique.De plus, le modèle fonctionne sans fonction murale et est précis à proximité des murs 35,36.(SST) κ-ω Les équations régissant le modèle de turbulence sont les suivantes :
où \(S\) est la valeur de la vitesse de déformation et \(y\) est la distance à la surface adjacente.Pendant ce temps, \({\alpha}_{1}\), \({\alpha}_{2}\), \({\beta}_{1}\), \({\beta}_{ 2 }\), \({\beta}^{*}\), \({\sigma}_{{k}_{1}}\), \({\sigma}_{{k}_{ 2 }}\), \({\sigma}_{{\omega}_{1}}\) et \({\sigma}_{{\omega}_{2}}\) désignent toutes les constantes du modèle.F1 et F2 sont des fonctions mixtes.Remarque : F1 = 1 dans la couche limite, 0 dans le flux venant en sens inverse.
Les paramètres d’évaluation des performances sont utilisés pour étudier le transfert de chaleur par convection turbulente, l’écoulement de nanofluides covalents et non covalents, par exemple31 :
Dans ce contexte, (\(\rho\)), (\(v\)), (\({D}_{h}\)) et (\(\mu\)) sont utilisés pour la densité, la vitesse du fluide , diamètre hydraulique et viscosité dynamique.(\({C}_{p}\, \mathrm{u}\, k\)) – capacité thermique spécifique et conductivité thermique du fluide en écoulement.De plus, (\(\dot{m}\)) fait référence au débit massique et (\({T}_{out}-{T}_{in}\)) fait référence à la différence de température d'entrée et de sortie.(NF) fait référence aux nanofluides covalents et non covalents, et (DW) fait référence à l'eau distillée (fluide de base).\({A}_{s} = \pi DL\), \({\overline{T}}_{f}=\frac{\left({T}_{out}-{T}_{in }\right)}{2}\) et \({\overline{T}}_{w}=\sum \frac{{T}_{w}}{n}\).
Les propriétés thermophysiques du fluide de base (DW), du nanofluide non covalent (GNF-SDBS@DW) et du nanofluide covalent (GNF-COOH@DW) ont été tirées de la littérature publiée (études expérimentales), Sn = 308 K, comme montré dans le tableau 134. Dans une expérience typique visant à obtenir un nanofluide non covalent (GNP-SDBS@DW) avec des pourcentages de masse connus, certains grammes de PNB primaires ont été initialement pesés sur une balance numérique.Le rapport pondéral SDBS/PNB natif est de (0,5 : 1) pondéré en DW.Dans ce cas, des nanofluides covalents (COOH-GNP@DW) ont été synthétisés en ajoutant des groupes carboxyle à la surface du PNB en utilisant un milieu fortement acide avec un rapport volumique (1:3) de HNO3 et H2SO4.Des nanofluides covalents et non covalents ont été mis en suspension dans du DW à trois pourcentages en poids différents, par exemple 0,025 % en poids et 0,05 % en poids.et 0,1% de la masse.
Des tests d'indépendance du maillage ont été effectués dans quatre domaines de calcul différents pour garantir que la taille du maillage n'affecte pas la simulation.Dans le cas d'un tuyau de torsion à 45°, le nombre d'unités de taille d'unité 1,75 mm est de 249 033, le nombre d'unités de taille d'unité 2 mm est de 307 969, le nombre d'unités de taille d'unité 2,25 mm est de 421 406 et le nombre d'unités avec une taille d'unité de 2,5 mm respectivement 564 940.De plus, dans l'exemple d'un tuyau torsadé à 90°, le nombre d'éléments avec une taille d'élément de 1,75 mm est de 245 531, le nombre d'éléments avec une taille d'élément de 2 mm est de 311 584, le nombre d'éléments avec une taille d'élément de 2,25 mm est de 422 708, et le nombre d'éléments d'une taille d'élément de 2,5 mm est respectivement de 573 826.La précision des lectures de propriétés thermiques telles que (Tout, HTC et Nuavg) augmente à mesure que le nombre d'éléments diminue.Dans le même temps, la précision des valeurs du coefficient de frottement et de la perte de charge a montré un comportement complètement différent (Fig. 2).La grille (2) a été utilisée comme zone de grille principale pour évaluer les caractéristiques thermohydrauliques dans le cas simulé.
Test des performances de transfert de chaleur et de perte de charge indépendamment du maillage en utilisant des paires de tubes DW torsadés à 45° et 90°.
Les présents résultats numériques ont été validés pour les performances de transfert de chaleur et le coefficient de frottement à l'aide de corrélations et d'équations empiriques bien connues telles que Dittus-Belter, Petukhov, Gnelinsky, Notter-Rouse et Blasius.La comparaison a été effectuée dans la condition 7000≤Re≤17000.D'après la fig.3, les erreurs moyennes et maximales entre les résultats de simulation et l'équation de transfert de chaleur sont de 4,050 et 5,490 % (Dittus-Belter), 9,736 et 11,33 % (Petukhov), 4,007 et 7,483 % (Gnelinsky) et 3,883 % et 4,937 % ( Nott-Belter).Rose).Dans ce cas, les erreurs moyennes et maximales entre les résultats de simulation et l'équation du coefficient de frottement sont respectivement de 7,346 % et 8,039 % (Blasius) et de 8,117 % et 9,002 % (Petukhov).
Transfert de chaleur et propriétés hydrodynamiques du DW à différents nombres de Reynolds à l'aide de calculs numériques et de corrélations empiriques.
Cette section traite des propriétés thermiques des nanofluides aqueux non covalents (LNP-SDBS) et covalents (LNP-COOH) à trois fractions massiques différentes et des nombres de Reynolds sous forme de moyennes par rapport au fluide de base (DW).Deux géométries d'échangeurs de chaleur à bande enroulée (angle d'hélice 45° et 90°) sont discutées pour 7 000 ≤ Re ≤ 17 000. Sur la fig.La figure 4 montre la température moyenne à la sortie du nanofluide dans le fluide de base (DW) (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{ DW } } \) ) à (0,025 % en poids, 0,05 % en poids et 0,1 % en poids).(\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) est toujours inférieur à 1, ce qui signifie que la température de sortie Les nanofluides non covalents (VNP-SDBS) et covalents (VNP-COOH) sont inférieurs à la température de sortie du liquide de base.Les réductions les plus faibles et les plus élevées étaient respectivement de 0,1 % en poids-COOH@GNPs et 0,1 % en poids-SDBS@GNPs.Ce phénomène est dû à une augmentation du nombre de Reynolds à fraction massique constante, ce qui entraîne une modification des propriétés du nanofluide (c'est-à-dire la densité et la viscosité dynamique).
Les figures 5 et 6 montrent les caractéristiques moyennes de transfert de chaleur du nanofluide au fluide de base (DW) à (0,025 % en poids, 0,05 % en poids et 0,1 % en poids).Les propriétés moyennes de transfert de chaleur sont toujours supérieures à 1, ce qui signifie que les propriétés de transfert de chaleur des nanofluides non covalents (LNP-SDBS) et covalents (LNP-COOH) sont améliorées par rapport au fluide de base.0,1 % en poids-COOH@GNPs et 0,1 % en poids-SDBS@GNPs ont obtenu respectivement le gain le plus faible et le plus élevé.Lorsque le nombre de Reynolds augmente en raison d'un mélange de fluides et de turbulences plus importants dans le tuyau 1, les performances de transfert de chaleur s'améliorent.Les fluides traversant de petits espaces atteignent des vitesses plus élevées, ce qui entraîne une couche limite vitesse/chaleur plus fine, ce qui augmente le taux de transfert de chaleur.L’ajout de nanoparticules au fluide de base peut avoir des résultats à la fois positifs et négatifs.Les effets bénéfiques comprennent une augmentation des collisions de nanoparticules, des exigences favorables en matière de conductivité thermique des fluides et un transfert de chaleur amélioré.
Coefficient de transfert thermique du nanofluide au fluide de base en fonction du nombre de Reynolds pour les tubes 45° et 90°.
Dans le même temps, un effet négatif est une augmentation de la viscosité dynamique du nanofluide, ce qui réduit la mobilité du nanofluide, réduisant ainsi le nombre de Nusselt moyen (Nuavg).L'augmentation de la conductivité thermique des nanofluides (ZNP-SDBS@DW) et (ZNP-COOH@DW) devrait être due au mouvement brownien et à la microconvection des nanoparticules de graphène en suspension dans DW37.La conductivité thermique du nanofluide (ZNP-COOH@DV) est supérieure à celle du nanofluide (ZNP-SDBS@DV) et de l'eau distillée.L'ajout de plus de nanomatériaux au fluide de base augmente leur conductivité thermique (tableau 1)38.
La figure 7 illustre le coefficient de frottement moyen des nanofluides avec le fluide de base (DW) (f(NFs)/f(DW)) en pourcentage en masse (0,025 %, 0,05 % et 0,1 %).Le coefficient de frottement moyen est toujours ≈1, ce qui signifie que les nanofluides non covalents (GNF-SDBS@DW) et covalents (GNF-COOH@DW) ont le même coefficient de frottement que le fluide de base.Un échangeur de chaleur avec moins d’espace crée davantage d’obstruction du flux et augmente la friction du flux1.Fondamentalement, le coefficient de frottement augmente légèrement avec l’augmentation de la fraction massique du nanofluide.Les pertes par frottement plus élevées sont causées par la viscosité dynamique accrue du nanofluide et par la contrainte de cisaillement accrue sur la surface avec un pourcentage massique plus élevé de nanographène dans le fluide de base.Le tableau (1) montre que la viscosité dynamique du nanofluide (ZNP-SDBS@DV) est supérieure à celle du nanofluide (ZNP-COOH@DV) au même pourcentage pondéral, ce qui est associé à l'ajout d'effets de surface.agents actifs sur un nanofluide non covalent.
Sur la fig.8 montre le nanofluide comparé au fluide de base (DW) (\(\frac{{\Delta P}_{NFs}}{{\Delta P}_{DW}}\)) à (0,025 %, 0,05 % et 0,1 % ).Le nanofluide non covalent (GNPs-SDBS@DW) a montré une perte de pression moyenne plus élevée et une augmentation du pourcentage de masse à 2,04 % pour 0,025 % en poids, 2,46 % pour 0,05 % en poids.et 3,44% pour 0,1% poids.avec agrandissement du boîtier (angle d'hélice 45° et 90°).Pendant ce temps, le nanofluide (GNPs-COOH@DW) a montré une perte de pression moyenne plus faible, passant de 1,31 % à 0,025 % en poids.jusqu'à 1,65 % à 0,05 % en poids.La perte de pression moyenne de 0,05 % en poids-COOH@NP et 0,1 % en poids-COOH@NP est de 1,65 %.Comme on peut le voir, la chute de pression augmente avec l’augmentation du nombre Re dans tous les cas.Une chute de pression accrue à des valeurs Re élevées est indiquée par une dépendance directe du débit volumique.Par conséquent, un nombre Re plus élevé dans le tube entraîne une chute de pression plus élevée, ce qui nécessite une augmentation de la puissance de la pompe39,40.De plus, les pertes de charge sont plus élevées en raison de l’intensité plus élevée des tourbillons et des turbulences générées par la plus grande surface, ce qui augmente l’interaction des forces de pression et d’inertie dans la couche limite1.
En général, les critères d'évaluation des performances (PEC) pour les nanofluides non covalents (VNP-SDBS@DW) et covalents (VNP-COOH@DW) sont présentés dans les figures.9. Le nanofluide (ZNP-SDBS@DV) a montré des valeurs de PEC plus élevées que (ZNP-COOH@DV) dans les deux cas (angle d'hélice 45° et 90°) et il a été amélioré en augmentant la fraction massique, par exemple 0,025. % en poids.est de 1,17, 0,05 % en poids est de 1,19 et 0,1 % en poids est de 1,26.Pendant ce temps, les valeurs PEC utilisant des nanofluides (GNPs-COOH@DW) étaient de 1,02 pour 0,025 % en poids, 1,05 pour 0,05 % en poids, 1,05 pour 0,1 % en poids.dans les deux cas (angle d'hélice 45° et 90°).1.02.En règle générale, avec une augmentation du nombre de Reynolds, l'efficacité thermohydraulique diminue considérablement.Lorsque le nombre de Reynolds augmente, la diminution du coefficient de rendement thermohydraulique est systématiquement associée à une augmentation de (NuNFs/NuDW) et à une diminution de (fNFs/fDW).
Propriétés hydrothermales des nanofluides par rapport aux fluides de base en fonction des nombres de Reynolds pour des tubes à angles de 45° et 90°.
Cette section traite des propriétés thermiques des nanofluides d'eau (DW), non covalents (VNP-SDBS@DW) et covalents (VNP-COOH@DW) à trois concentrations massiques et nombres de Reynolds différents.Deux géométries d'échangeurs de chaleur à bande enroulée ont été considérées dans la plage 7 000 ≤ Re ≤ 17 000 par rapport aux tuyaux conventionnels (angles d'hélice 45° et 90°) pour évaluer les performances thermohydrauliques moyennes.Sur la fig.La figure 10 montre la température moyenne de l'eau et des nanofluides en sortie en utilisant (angle d'hélice 45° et 90°) pour un tuyau commun (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{ {T} _{out}}_{Regular}}\)).Les nanofluides non covalents (GNP-SDBS@DW) et covalents (GNP-COOH@DW) ont trois fractions pondérales différentes telles que 0,025 % en poids, 0,05 % en poids et 0,1 % en poids.Comme le montre la fig.11, la valeur moyenne de la température de sortie (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{{T}_{out}}_{Plain}}\)) > 1, indiquant que (angle d'hélice de 45° et 90°) la température à la sortie de l'échangeur thermique est plus importante que celle d'un tuyau classique, du fait de la plus grande intensité de turbulence et d'un meilleur mélange du liquide.De plus, la température à la sortie des nanofluides DW, non covalents et covalents diminuait avec l’augmentation du nombre de Reynolds.Le fluide de base (DW) présente la température moyenne de sortie la plus élevée.Pendant ce temps, la valeur la plus basse fait référence à 0,1% en poids-SDBS@GNPs.Les nanofluides non covalents (GNPs-SDBS@DW) ont montré une température de sortie moyenne inférieure à celle des nanofluides covalents (GNPs-COOH@DW).Étant donné que le ruban torsadé rend le champ d'écoulement plus mélangé, le flux thermique proche de la paroi peut traverser plus facilement le liquide, augmentant ainsi la température globale.Un rapport torsion/ruban plus faible entraîne une meilleure pénétration et donc un meilleur transfert de chaleur.D'un autre côté, on peut voir que le ruban enroulé maintient une température plus basse contre le mur, ce qui augmente le Nuavg.Pour les inserts de ruban torsadé, une valeur Nuavg plus élevée indique un transfert de chaleur par convection amélioré à l’intérieur du tube22.En raison de l'augmentation du trajet d'écoulement et du mélange et des turbulences supplémentaires, le temps de séjour augmente, entraînant une augmentation de la température du liquide à la sortie41.
Nombres de Reynolds de divers nanofluides par rapport à la température de sortie des tubes conventionnels (angles d'hélice de 45° et 90°).
Coefficients de transfert de chaleur (angle d'hélice de 45° et 90°) par rapport aux nombres de Reynolds pour divers nanofluides par rapport aux tubes conventionnels.
Le principal mécanisme de transfert de chaleur amélioré par bande enroulée est le suivant : 1. La réduction du diamètre hydraulique du tube d'échange thermique entraîne une augmentation de la vitesse d'écoulement et de la courbure, ce qui à son tour augmente la contrainte de cisaillement au niveau de la paroi et favorise le mouvement secondaire.2. En raison du blocage du ruban d'enroulement, la vitesse au niveau de la paroi du tuyau augmente et l'épaisseur de la couche limite diminue.3. Le flux en spirale derrière la courroie torsadée entraîne une augmentation de la vitesse.4. Les vortex induits améliorent le mélange de fluides entre les régions centrales et proches des parois de l’écoulement42.Sur la fig.11 et fig.La figure 12 montre les propriétés de transfert thermique du DW et des nanofluides, par exemple (coefficient de transfert thermique et nombre de Nusselt moyen) sous forme de moyennes utilisant des tubes d'insertion de ruban torsadé par rapport aux tubes conventionnels.Les nanofluides non covalents (GNP-SDBS@DW) et covalents (GNP-COOH@DW) ont trois fractions pondérales différentes telles que 0,025 % en poids, 0,05 % en poids et 0,1 % en poids.Dans les deux échangeurs de chaleur (angle d'hélice de 45° et 90°), les performances moyennes de transfert de chaleur sont >1, ce qui indique une amélioration du coefficient de transfert de chaleur et du nombre de Nusselt moyen avec les tubes enroulés par rapport aux tubes conventionnels.Les nanofluides non covalents (GNPs-SDBS@DW) ont montré une amélioration moyenne du transfert de chaleur plus élevée que les nanofluides covalents (GNPs-COOH@DW).À Re = 900, l'amélioration de 0,1 % en poids des performances de transfert de chaleur -SDBS@GNPs pour les deux échangeurs de chaleur (angle d'hélice de 45° et 90°) était la plus élevée avec une valeur de 1,90.Cela signifie que l’effet TP uniforme est plus important à des vitesses de fluide plus faibles (nombre de Reynolds)43 et à une intensité de turbulence croissante.En raison de l'introduction de plusieurs vortex, le coefficient de transfert de chaleur et le nombre moyen de Nusselt des tubes TT sont supérieurs à ceux des tubes conventionnels, ce qui entraîne une couche limite plus fine.La présence de HP augmente-t-elle l'intensité des turbulences, le mélange des flux de fluide de travail et un transfert de chaleur amélioré par rapport aux tuyaux de base (sans insérer de ruban torsadé)21.
Nombre de Nusselt moyen (angle d'hélice 45° et 90°) par rapport au nombre de Reynolds pour divers nanofluides par rapport aux tubes conventionnels.
Les figures 13 et 14 montrent le coefficient de frottement moyen (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain}}\)) et la perte de pression (\(\frac{{\Delta P} _ {Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\}} environ 45° et 90° pour les tuyaux conventionnels utilisant des nanofluides DW, (GNPs-SDBS@DW) et (GNPs-COOH@DW) l'échangeur d'ions contient ( 0,025 % en poids, 0,05 % en poids et 0,1 % en poids. { {f}_{Plain} }\)) et perte de pression (\(\frac{{ \Delta P}_{Twisted}}{{\Delta P }_{Plain}}\}) diminuent. Dans certains cas, le coefficient de frottement et la perte de pression sont plus élevés pour des nombres de Reynolds inférieurs. Le coefficient de frottement et la perte de pression moyens sont compris entre 3,78 et 3,12. Le coefficient de frottement et la perte de pression moyens montrent que (hélice à 45° angle et 90°) l'échangeur de chaleur coûte trois fois plus cher que les tuyaux conventionnels. De plus, lorsque le fluide de travail s'écoule à une vitesse plus élevée, le coefficient de frottement diminue. Le problème se pose car à mesure que le nombre de Reynolds augmente, l'épaisseur de la couche limite diminue, ce qui entraîne une diminution de l'effet de la viscosité dynamique sur la zone affectée, une diminution des gradients de vitesse et des contraintes de cisaillement et, par conséquent, une diminution du coefficient de frottement21.L'effet de blocage amélioré dû à la présence de TT et au tourbillon accru entraîne des pertes de charge nettement plus élevées pour les tubes TT hétérogènes que pour les tubes de base.De plus, tant pour le tuyau de base que pour le tuyau TT, on constate que la perte de charge augmente avec la vitesse du fluide de travail43.
Coefficient de frottement (angle d'hélice de 45° et 90°) par rapport au nombre de Reynolds pour divers nanofluides par rapport aux tubes conventionnels.
Perte de charge (angle d'hélice de 45° et 90°) en fonction du nombre de Reynolds pour différents nanofluides par rapport à un tube conventionnel.
En résumé, la figure 15 montre les critères d'évaluation des performances (PEC) pour les échangeurs de chaleur avec des angles de 45° et 90° par rapport aux tubes lisses (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}} \ ) ) dans (0,025% en poids, 0,05% en poids et 0,1% en poids) en utilisant des nanofluides DV, (VNP-SDBS@DV) et covalents (VNP-COOH@DV).La valeur (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) > 1 dans les deux cas (angle d'hélice 45° et 90°) dans l'échangeur thermique.De plus, (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) atteint sa meilleure valeur à Re = 11 000.L'échangeur thermique à 90° présente une légère augmentation de (\ (\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) par rapport à un échangeur thermique à 45°., À Re = 11 000 0,1 wt%-GNPs@SDBS représente des valeurs (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) valeurs plus élevées, par exemple 1,25 pour un coin d'échangeur de chaleur à 45° et 1,27 pour un échangeur de chaleur d'angle à 90°.Il est supérieur à un pourcentage de fraction massique, ce qui indique que les tuyaux avec inserts en ruban torsadé sont supérieurs aux tuyaux conventionnels.Notamment, le transfert de chaleur amélioré assuré par les inserts en ruban a entraîné une augmentation significative des pertes par frottement22.
Critères d'efficacité du nombre de Reynolds de différents nanofluides par rapport aux tubes conventionnels (angle d'hélice de 45° et 90°).
L'annexe A montre les schémas pour les échangeurs de chaleur à 45° et 90° à Re = 7 000 utilisant DW, 0,1 % en poids-GNP-SDBS@DW et 0,1 % en poids-GNP-COOH@DW.Les lignes aérodynamiques dans le plan transversal constituent la caractéristique la plus frappante de l'effet des inserts en ruban torsadé sur le flux principal.L'utilisation d'échangeurs de chaleur à 45° et 90° montre que la vitesse dans la région proche des parois est approximativement la même.Pendant ce temps, l'annexe B montre les contours de vitesse pour les échangeurs de chaleur à 45° et 90° à Re = 7000 en utilisant DW, 0,1 % en poids-GNP-SDBS@DW et 0,1 % en poids-GNP-COOH@DW.Les boucles de vitesse se trouvent à trois emplacements différents (tranches), par exemple Plain-1 (P1 = −30 mm), Plain-4 (P4 = 60 mm) et Plain-7 (P7 = 150 mm).La vitesse d'écoulement près de la paroi du tuyau est la plus faible et la vitesse du fluide augmente vers le centre du tuyau.De plus, lors du passage dans le conduit d'air, la zone de faibles vitesses près du mur augmente.Cela est dû à la croissance de la couche limite hydrodynamique, qui augmente l’épaisseur de la région à faible vitesse près de la paroi.De plus, l'augmentation du nombre de Reynolds augmente le niveau de vitesse global dans toutes les sections transversales, réduisant ainsi l'épaisseur de la région à faible vitesse dans le canal .
Des nanofeuilles de graphène fonctionnalisées de manière covalente et non covalente ont été évaluées dans des inserts de ruban torsadé avec des angles d'hélice de 45° et 90°.L'échangeur de chaleur est résolu numériquement à l'aide du modèle de turbulence SST k-omega à 7 000 ≤ Re ≤ 17 000. Les propriétés thermophysiques sont calculées à Tin = 308 K. Chauffez simultanément la paroi du tube torsadé à une température constante de 330 K. COOH@DV) a été dilué en trois quantités massiques, par exemple (0,025% en poids, 0,05% en poids et 0,1% en poids).L'étude actuelle a pris en compte six facteurs principaux : la température de sortie, le coefficient de transfert de chaleur, le nombre de Nusselt moyen, le coefficient de frottement, la perte de pression et les critères d'évaluation des performances.Voici les principales conclusions :
La température moyenne de sortie (\({{T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) est toujours inférieure à 1, ce qui signifie que non étalé La température de sortie des nanofluides de valence (ZNP-SDBS@DV) et covalents (ZNP-COOH@DV) est inférieure à celle du liquide de base.Pendant ce temps, la température de sortie moyenne (\({{T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\)) valeur > 1, indiquant au fait que (angle d'hélice de 45° et 90°) la température de sortie est plus élevée qu'avec des tubes conventionnels.
Dans les deux cas, les valeurs moyennes des propriétés de transfert thermique (nanofluide/fluide de base) et (tube torsadé/tube normal) affichent toujours >1.Les nanofluides non covalents (GNPs-SDBS@DW) ont montré une augmentation moyenne plus élevée du transfert de chaleur, correspondant aux nanofluides covalents (GNPs-COOH@DW).
Le coefficient de frottement moyen (\({f}_{Nanofluids}/{f}_{Basefluid}\)) des nanofluides non covalents (VNP-SDBS@DW) et covalents (VNP-COOH@DW) est toujours ≈1 .friction de nanofluides non covalents (ZNP-SDBS@DV) et covalents (ZNP-COOH@DV) (\({f}_{Twisted}/{f}_{Plain}\)) pour toujours > 3.
Dans les deux cas (angle d'hélice de 45° et 90°), les nanofluides (GNPs-SDBS@DW) ont montré une valeur supérieure à (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) 0,025. en poids pour 2,04 %, 0,05 % en poids pour 2,46 % et 0,1 % en poids pour 3,44 %.Pendant ce temps, les nanofluides (GNPs-COOH@DW) ont montré une valeur inférieure (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) de 1,31 % pour 0,025 % en poids à 1,65 % soit 0,05. % par poids.De plus, la perte de pression moyenne (\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\) des éléments non covalents (GNPs-SDBS@DW) et covalents (GNPs-COOH@DW ))) nanofluides toujours >3.
Dans les deux cas (angles d'hélice de 45° et 90°), les nanofluides (GNPs-SDBS@DW) ont montré une valeur (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC} _{Basefluid}\)) @DW plus élevée) , par exemple 0,025 % en poids – 1,17, 0,05 % en poids – 1,19, 0,1 % en poids – 1,26.Dans ce cas, les valeurs de (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\)) utilisant les nanofluides (GNPs-COOH@DW) sont de 1,02 pour 0,025 % en poids, 1,05 pour 0. , 05 en poids.% et 1,02 est 0,1 % en poids.De plus, à Re = 11 000, 0,1 % en poids-GNPs@SDBS a montré des valeurs plus élevées (\({PEC}_{Twisted}/{PEC}_{Plain}\)), telles que 1,25 pour un angle d'hélice de 45°. et angle d'hélice de 90° 1,27.
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