터뷸레이터가 장착된 원형 튜브의 공유 및 비공유 기능화된 그래핀 나노혈소판의 열수력학적 분석

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 17710(2022) 이 기사 인용

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공유 및 비공유 나노유체는 45° 및 90° 나선 각도를 갖는 꼬인 테이프 인서트가 장착된 원형 튜브 내부에서 테스트되었습니다. 레이놀즈 수는 7000  Re  17,000이었고 열물리적 특성은 308K에서 평가되었습니다. 물리적 모델은 2방정식 에디-점도 모델(SST k-오메가 난류)을 통해 수치적으로 해결되었습니다. 본 연구에서는 농도(0.025wt.%, 0.05wt.% 및 0.1wt.%)의 GNPs-SDBS@DW 및 GNPs-COOH@DW 나노유체를 고려했습니다. 꼬인 파이프의 벽은 330K의 일정한 온도에서 가열되었습니다. 현재 연구에서는 출구 온도, 열 전달 계수, 평균 누셀 수, 마찰 계수, 압력 손실 및 성능 평가 기준의 6가지 매개변수를 고려했습니다. 두 경우 모두(45° 및 90° 나선 각도) GNPs-SDBS@DW 나노유체는 GNPs-COOH@DW보다 더 높은 열수력 성능을 나타냈으며 0.025wt.%의 경우 1.17, 0.05wt.%의 경우 1.19와 같이 질량 분율을 증가시켜 증가했습니다. % 및 0.1 중량%에 대해 1.26. 한편 두 경우(45° 및 90° 나선각)에서 GNPs-COOH@DW를 사용한 열수력 성능 값은 0.025wt.%에서 1.02, 0.05wt.%에서 1.05, 0.1wt.%에서 1.02로 나타났습니다.

열 교환기는 냉방 및 난방 작업 중에 열을 전달하는 데 사용되는 열 장치입니다1. 열 교환기의 열수력 성능은 열 전달 계수를 높이고 작동 유체 저항을 낮춥니다. 난류 촉진제2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 및 나노유체12,13,14,15를 포함한 일부 열 전달 강화 기술이 개발되었습니다. 유지 관리가 간단하고 비용이 저렴하기 때문에 꼬인 테이프 삽입은 열 교환기7,16에서 열 전달을 향상시키는 가장 성공적인 방법 중 하나입니다.

일련의 실험 및 계산 연구에서 나노유체 혼합물과 꼬인 테이프 삽입물이 있는 열 교환기의 열수 특성이 조사되었습니다. 실험 작업에서는 뾰족한 꼬인 테이프(STT)17가 있는 열 교환기 내에서 세 가지 다른 금속 나노유체(Ag@DW, Fe@DW 및 Cu@DW)의 열수 특성을 탐구했습니다. STT의 열전달 계수는 기본 파이프에 비해 11%, 67% 향상되었습니다. SST 배열은 α = β = 0.33의 매개변수로 성능 요소를 기준으로 가장 비용 효율적이었습니다. 또한, 압력 손실의 가장 큰 증가는 8.5%에 불과했지만 Ag@DW를 사용하여 18.2%의 n 증가가 관찰되었습니다. 와이어 코일(WC) 터뷸레이터가 있거나 없는 동심 튜브의 열 전달 및 압력 손실 물리적 특성은 난류 강제 대류 Al2O3@DW 나노유체 흐름을 사용하여 조사되었습니다. 최대 평균 누셀트 수(Nuavg)와 압력 손실은 피치 와이어 코일 = 25 mm 및 1.6 부피%-Al2O3@DW 나노유체일 때 Re = 20,000에서 나타났습니다. WC 삽입물이 있는 기본 원형 튜브를 통해 흐르는 산화 그래핀(GO@DW) 나노유체의 열 전달 및 압력 손실 특성을 조사하기 위한 실험실 연구도 수행되었습니다. 결과에 따르면 0.12vol%-GO@DW는 대류열전달계수를 약 77% 증가시켰다. 추가 실험 연구에서는 꼬인 테이프 인서트가 장착된 딤플 튜브의 열수력 성능을 조사하는(TiO2@DW) 나노유체를 개발했습니다. 1.258의 가장 큰 열수력 효율은 기울어진 45° 딤플에서 0.15vol%-TiO2@DW를 사용하고 3.0의 꼬인 테이프 비율로 내장되어 달성되었습니다. 단상 및 2상(혼합) 시뮬레이션 모델은 다양한 고체 농도(1~4% 부피%)21에서 CuO@DW 나노유체 흐름과 열 전달을 해결했습니다. 꼬인 테이프를 한 번 삽입한 튜브의 최대 열효율은 2.18이었지만, 동일한 조건에서 두 개의 꼬인 테이프를 삽입한 튜브에서는 2.04였습니다(2상 모델, Re = 36,000 및 4 부피%). 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)와 산화구리(CuO)의 비뉴턴 난류 나노유체 흐름을 기본 파이프와 꼬인 삽입부가 있는 파이프에서 조사했습니다. Nuavg는 16.1%(기본 파이프의 경우) 및 60%[비율이 (H/D = 5)인 꼬인 파이프의 경우]와 같은 개선을 보여주었습니다. 종종 꼬인 테이프 비율이 작을수록 마찰 계수가 더 높아집니다. 실험적 연구에서는 CuO@DW 나노유체를 사용하여 꼬인 테이프(TT)와 와이어 코일(WC)이 있는 파이프가 열 전달 및 마찰 계수 특성에 미치는 영향을 조사했습니다. Re = 20,000에서 0.3volume%-CuO@DW를 사용하면 WC-2 튜브에서 열 전달이 최대 44.45%까지 향상되었습니다. 또한, 동일한 경계조건에서 꼬인 테이프와 와이어 코일 삽입을 적용함으로써 마찰계수가 DW에 비해 1.17배, 1.19배 증가한 것으로 나타났다. 일반적으로, 와이어 코일 삽입이 있는 나노유체의 열 성능 계수는 꼬인 테이프 삽입보다 더 좋습니다. 난류(MWCNTs@DW) 나노유체 흐름의 전반적인 성능은 코일 와이어가 삽입된 수평 파이프 내부에서 조사되었습니다. 모든 경우의 열 성능 매개변수는 1보다 컸으며, 이는 나노유체와 와이어 코일 삽입을 결합하면 펌핑 전력을 소비하지 않고 열 전달이 향상되었음을 나타냅니다. 난류 Al2O3 + TiO2@DW 나노유체 흐름 조건에서 다양한 수정된 V-cut 트위스트 테이프(VcTT) 삽입을 갖는 이중 튜브 열 교환기의 열수 특성에 대한 실험이 수행되었습니다. Nuavg는 기본 배관의 DW와 비교하여 132%의 비율로 크게 향상되었으며 마찰계수는 최대 55%까지 향상되었습니다. 또한, 이중 파이프 열 교환기 내에서 나노복합체 Al2O3 + TiO2@DW의 에너지 방출 효과가 논의되었습니다. 그들은 연구에서 Al2O3 + TiO2@DW 및 TT를 사용하면 DW에 비해 엑서지 효율이 증가한다는 것을 발견했습니다. VcTT 터뷸레이터를 갖춘 동심원 튜브 열 교환기에서 Singh과 Sarkar는 상 변화 물질(PCM) 분산 단일/나노 복합 나노유체(PCM 및 Al2O3 + PCM이 포함된 Al2O3@DW)를 사용했습니다. 그들은 비틀림 비율이 감소하고 나노입자 농도가 증가할 때 열 전달과 압력 손실이 증가한다고 보고했습니다. 더 큰 V-컷 깊이 비율 또는 더 낮은 폭 비율로 더 많은 열 전달 및 압력 손실이 달성되었습니다. 또한, 그래핀-백금(Gr-Pt)을 적용하여 2-TT 삽입이 있는 튜브의 열, 마찰 및 총 엔트로피 생성 속도를 조사했습니다. 그들의 연구는 상대적으로 증가된 마찰 엔트로피 발생보다 열 엔트로피 형성을 크게 감소시키는 (Gr-Pt) 비율이 적다는 점에 주목했습니다. Al2O3@MgO 하이브리드 나노유체와 테이퍼형 WC는 이중관 열교환기의 열수 특성을 개선하기 위한 향상된(h/Δp) 비율로 인해 좋은 혼합으로 간주될 수 있습니다29. DW30에 부유하는 다양한 삼자 하이브리드 나노유체(THNF)(Al2O3 + Graphene + MWCNTs)를 갖는 열교환기의 외부경제적 환경 효율성을 해결하기 위해 수치 모델이 사용되었습니다. 성능 평가 기준(PEC)이 1.42~2.35 범위에 있기 때문에 딤플형 트위스트 터뷸레이터 인서트(DTTI)와 (Al2O3 + 그래핀 + MWCNT)의 조합이 바람직했습니다.

1, indicating that the outlet temperature of (45° and 90° helix angles) heat exchangers was more significant than the value of outlet temperature for the plain pipe due to a more vigorous turbulence intensity and better fluid mixing. Furthermore, as the Reynolds number rises, the outlet temperature of DW, non-covalent, and covalent nanofluids declines. Based fluid (DW) has the highest average output temperature values. Meanwhile, the lowest value is dedicated for 0.1 wt.%-SDBS@GNPs. The non-covalent (GNPs-SDBS@DW) nanofluids show lower average outlet temperature relative to covalent (GNPs-COOH@DW) nanofluids. As the flow field is mixed up more as a result of the twisted tape, the wall heat flux can more easily pass through the fluid flow, raising the bulk temperature. Smaller twisted tape ratio values result in better penetration, which improves heat transmission. The twisted tape, on the other hand, is seen to maintain a lower temperature near the wall, which in turn raises Nuavg. With twisted tape inserts, a higher Nuavg indicates improved convective heat transmission across tube22. Increased residence time due to raised flow path with extra mixing and turbulence creation, they are resulting in a rise in the fluid's outlet temperature41./p> 1, which indicates improvement of heat transfer coefficient and average Nusselt number using twisted pipes relative to plain pipe. The non-covalent (GNPs-SDBS@DW) nanofluids show higher average heat transfer enhancement than covalent (GNPs-COOH@DW) nanofluids. The highest augmentation in the heat transfer properties was reached by 0.1 wt.%-SDBS@GNPs with the value of 1.90 in both heat exchangers (45° and 90° helix angles) at Re = 900. This means that the role of uniform TT in increasing turbulence intensity is far more major at the lower fluid velocities (Reynolds numbers)43. The heat transfer coefficient and average Nusselt number in TT pipes are higher than in a plain pipe due to the induction of multiple swirl flows, resulting in thinner boundary layer. Comparison to the basic pipe (no twisted tape insertions), whether the existence of TT produces increased turbulence intensity, flow mixing of working fluids, and heat transfer enhancement21./p> 1 in both instances (45° and 90° helix angles) heat exchangers. Furthermore, the better value of (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) is reached at Re = 11,000. The 90°-degree angle heat exchanger revealed a modest increase (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) values in comparison to the 45°-degree angle heat exchanger. Furthermore, at Re = 11,000, 0.1 wt.%-GNPs@SDBS indicates a higher (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) value, such as 1.25 for 45°-degree angle heat exchanger and 1.27 for 90°-degree angle heat exchanger. It is larger than unity at all mass fraction percentages, pointing out that the pipe with twisted tape inserts outperforms the plain pipe. It is noted that heat transfer augmentation supplied by the tape inserts results in significantly increased friction loss22./p> 1, indicating that the outlet temperature of (45° and 90° helix angles) was more substantial than the value of outlet temperature for the plain pipe./p> 1. The non-covalent (GNPs-SDBS@DW) nanofluids showed higher average heat transfer augmentation corresponding to covalent (GNPs-COOH@DW) nanofluids./p> 3./p> 3./p>