Thermohydraulische Analyse kovalenter und nichtkovalenter funktionalisierter Graphen-Nanoplättchen in kreisförmigen Röhren, die mit Turbulatoren ausgestattet sind

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 17710 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Kovalente und nichtkovalente Nanoflüssigkeiten wurden in einem kreisförmigen Rohr getestet, das mit gedrehten Bandeinsätzen mit Helixwinkeln von 45° und 90° ausgestattet war. Die Reynolds-Zahl betrug 7000 ≤ Re ≤ 17.000 und die thermophysikalischen Eigenschaften wurden bei 308 K bewertet. Das physikalische Modell wurde numerisch über ein Wirbelviskositätsmodell mit zwei Gleichungen (SST k-Omega-Turbulenz) gelöst. In dieser Studie wurden GNPs-SDBS@DW- und GNPs-COOH@DW-Nanofluide mit Konzentrationen (0,025 Gew.-%, 0,05 Gew.-% und 0,1 Gew.-%) berücksichtigt. Die Wände der verdrillten Rohre wurden auf eine konstante Temperatur von 330 K erhitzt. Die aktuelle Studie berücksichtigte sechs Parameter: Auslasstemperatur, Wärmeübergangskoeffizient, durchschnittliche Nusselt-Zahl, Reibungsfaktor, Druckverlust und Leistungsbewertungskriterium. In beiden Fällen (45°- und 90°-Helixwinkel) zeigten GNPs-SDBS@DW-Nanofluide eine höhere thermohydraulische Leistung als GNPs-COOH@DW und steigerten sich durch Erhöhung der Massenanteile wie 1,17 für 0,025 Gew.-%, 1,19 für 0,05 Gew.-%. % und 1,26 für 0,1 Gew.-%. In beiden Fällen (45°- und 90°-Helixwinkel) betrug der Wert der thermohydraulischen Leistung unter Verwendung von GNPs-COOH@DW 1,02 für 0,025 Gew.-%, 1,05 für 0,05 Gew.-% und 1,02 für 0,1 Gew.-%.

Wärmetauscher sind thermische Geräte, die zum Transport von Wärme bei Kühl- und Heizvorgängen verwendet werden1. Die thermohydraulische Leistung des Wärmetauschers erhöht die Wärmeübertragungskoeffizienten und verringert den Widerstand der Arbeitsflüssigkeit. Es wurden einige Techniken zur Verbesserung der Wärmeübertragung entwickelt, darunter Turbulenzförderer2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 und Nanofluide12,13,14,15. Aufgrund der einfachen Wartung und der geringen Kosten ist das Einsetzen von gedrehten Bändern eine der erfolgreichsten Methoden zur Verbesserung der Wärmeübertragung in einem Wärmetauscher7,16.

In einer Reihe experimenteller und rechnerischer Untersuchungen wurden die hydrothermischen Eigenschaften einer Mischung aus Nanofluiden und eines Wärmetauschers mit gedrehten Bandeinsätzen untersucht. Experimentelle Arbeiten untersuchten die hydrothermischen Eigenschaften von drei verschiedenen metallischen Nanofluiden (Ag@DW, Fe@DW und Cu@DW) in einem Wärmetauscher mit stacheligen verdrillten Bändern (STT)17. Der Wärmeübergangskoeffizient von STT ist im Vergleich zum Basisrohr um 11 bzw. 67 % gestiegen. Basierend auf dem Leistungsfaktor war die SST-Anordnung mit den Parametern α = β = 0,33 die kosteneffizienteste. Darüber hinaus wurde mit Ag@DW ein n-Anstieg von 18,2 % beobachtet, obwohl der größte Anstieg des Druckverlusts nur 8,5 % betrug. Die physikalischen Eigenschaften der Wärmeübertragung und des Druckverlusts in einem konzentrischen Rohr mit und ohne Drahtspulenturbulatoren (WC) wurden unter Verwendung turbulenter erzwungener Konvektions-Al2O3@DW-Nanofluidströmung untersucht18. Die maximale durchschnittliche Nusselt-Zahl (Nuavg) und der maximale Druckverlust wurden unter Re = 20.000 beobachtet, wenn die Drahtspulensteigung = 25 mm und 1,6 Vol.-% Al2O3@DW-Nanoflüssigkeiten waren. Es wurden auch Laborstudien durchgeführt, um die Wärmeübertragungs- und Druckverlusteigenschaften von Graphenoxid-Nanoflüssigkeiten (GO@DW) zu untersuchen, die durch ein einfaches kreisförmiges Rohr mit WC-Einsätzen strömen19. Den Ergebnissen zufolge erhöhte 0,12 Vol.-%-GO@DW den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten um etwa 77 %. In einer weiteren experimentellen Studie wurde ein Nanofluid (TiO2@DW) entwickelt, bei dem die thermohydraulischen Leistungen von Noppenrohren untersucht wurden, die mit verdrillten Bandeinsätzen ausgestattet waren20. Der höchste thermohydraulische Wirkungsgrad von 1,258 wurde mit 0,15 Vol.-% TiO2@DW in einer um 45° geneigten Vertiefung und eingebettet mit einem Twisted-Tape-Verhältnis von 3,0 erreicht. Einphasige und zweiphasige (gemischte) Simulationsmodelle lösten den CuO@DW-Nanofluidfluss und die Wärmeübertragung in den verschiedenen Feststoffkonzentrationen (1–4 % Volumen%)21. Der maximale thermische Wirkungsgrad in einer Röhre mit einer verdrillten Bandeinfügung betrug 2,18, in einer Röhre mit zwei verdrillten Bandeinfügungen zu den gleichen Bedingungen betrug er jedoch 2,04 (Zweiphasenmodell, Re = 36.000 und 4 Volumen-%). Der nicht-Newtonsche turbulente Nanofluidfluss von Carboxymethylcellulose (CMC) und Kupferoxid (CuO) wurde in einem Grundrohr und einem Rohr mit verdrillten Einfügungen untersucht22. Nuavg zeigte Verbesserungen von 16,1 % (für ein Basisrohr) und 60 % [für ein verdrilltes Rohr mit einem Verhältnis von (H/D = 5)]. Häufig führt das kleinere Verdrillungsverhältnis des Bandes zu einem höheren Reibungsfaktor. Eine experimentelle Studie untersuchte die Einflüsse von Rohren mit verdrilltem Band (TT) und Drahtspule (WC) auf die Wärmeübertragungs- und Reibungsfaktoreigenschaften unter Verwendung von CuO@DW-Nanofluid23. Die Verwendung von 0,3 Volumen-% CuO@DW bei Re = 20.000 steigerte die Wärmeübertragung bis zu ihrem Maximalwert von 44,45 % in einem WC-2-Rohr. Darüber hinaus stiegen die Reibungsfaktoren durch den Einsatz von verdrillten Bändern und Drahtspulen unter den gleichen Randbedingungen im Vergleich zu DW um das 1,17-fache bzw. 1,19-fache. Im Allgemeinen war der thermische Leistungsfaktor von Nanoflüssigkeiten mit Drahtspuleneinfügungen besser als mit verdrillten Bandeinfügungen. Die Gesamtleistung der turbulenten (MWCNTs@DW) Nanofluidströmung wurde in einem horizontalen Rohr mit eingelegtem Spiraldraht untersucht24. Alle Fälle hatten einen thermischen Leistungsparameter > 1, was darauf hindeutet, dass die Kombination von Nanoflüssigkeiten mit Drahtspuleneinsätzen die Wärmeübertragung verbesserte, ohne Pumpleistung zu verbrauchen. Es wurden Experimente unter turbulenten Al2O3 + TiO2@DW-Nanofluidströmungsbedingungen zu hydrothermischen Eigenschaften in einem Doppelrohrwärmetauscher mit verschiedenen modifizierten V-Schnitt-Twisted-Tape-Einsätzen (VcTT) durchgeführt25. Nuavg wurde deutlich um 132 % verbessert und der Reibungsfaktor betrug bis zu 55 % im Vergleich zu DW in einem Basisrohr. Außerdem wurde die exergetische Wirksamkeit des Nanokomposits Al2O3 + TiO2@DW in einem Doppelrohrwärmetauscher26 diskutiert. Sie fanden in ihrer Forschung heraus, dass der Einsatz von Al2O3 + TiO2@DW und TT die Exergieeffizienz im Vergleich zu DW erhöhte. In einem konzentrischen Rohrwärmetauscher mit einem VcTT-Turbulator verwendeten Singh und Sarkar27 in Phasenwechselmaterial (PCM) dispergierte Mono-/Nanokomposit-Nanofluide (Al2O3@DW mit PCM und Al2O3 + PCM). Sie berichteten, dass die Wärmeübertragung und der Druckverlust zunahmen, wenn das Verdrillungsverhältnis abnahm und die Nanopartikelkonzentration zunahm. Mit einem größeren V-Schnitt-Tiefenverhältnis oder einem geringeren Breitenverhältnis wurden mehr Wärmeübertragung und Druckverlust erreicht. Darüber hinaus wurde Graphen-Platin (Gr-Pt) verwendet, um die thermischen, Reibungs- und Gesamtentropieproduktionsraten in Röhren mit 2-TT-Einfügungen zu untersuchen28. In ihrer Studie wurde festgestellt, dass ein geringerer Anteil an (Gr-Pt) die thermische Entropiebildung deutlich verringerte als eine relativ erhöhte Reibungsentropieentwicklung. Al2O3@MgO-Hybrid-Nanofluid und konisches WC können aufgrund des verbesserten (h/Δp)-Verhältnisses zur Verbesserung der hydrothermischen Eigenschaften eines Doppelrohrwärmetauschers als gute Mischung angesehen werden29. Ein numerisches Modell wurde verwendet, um die exergoökonomische Umweltwirksamkeit eines Wärmetauschers mit verschiedenen dreiteiligen Hybrid-Nanofluiden (THNF) (Al2O3 + Graphen + MWCNTs) zu ermitteln, die in DW30 suspendiert sind. Die Kombination aus verdrilltem Turbulatoreinsatz mit Grübchen (DTTI) und (Al2O3 + Graphen + MWCNTs) war erwünscht, da ihre Leistungsbewertungskriterien (PEC) im Bereich von 1,42–2,35 lagen.

Bisher wurde der Rolle der kovalenten und nichtkovalenten Funktionalisierung auf den hydraulischen Fluss in Thermoflüssigkeiten nur sehr wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Das spezifische Ziel dieser Studie bestand darin, die thermisch-hydraulische Leistung von (GNPs-SDBS@DW) und (GNPs-COOH@DW) Nanofluiden in gedrehten Bandeinsätzen mit Helixwinkeln von 45 Grad und 90 Grad zu vergleichen. Die thermophysikalischen Eigenschaften wurden bei Zinn = 308 K gemessen. Beim Vergleich wurden drei Massenanteile berücksichtigt, beispielsweise (0,025 Gew.-%, 0,05 Gew.-% und 0,1 Gew.-%). Zur Lösung der thermohydraulischen Leistung wurde das Scherspannungstransportmodell (SST k-ω) in dreidimensionalen Turbulenzen verwendet. Durch den Nachweis der thermisch-hydraulischen Leistung und Optimierung der praktischen Arbeitsflüssigkeiten in solchen technischen Systemen leistet diese Studie einen wesentlichen Beitrag zur Erforschung der positiven Eigenschaften (Wärmeübertragung) und negativen Eigenschaften (Reibungsdruckabfall).

Die Basiskonfiguration ist ein glattes Rohr (L = 900 mm und Dh = 20 mm). Die gedrehten Bänder wurden mit den Abmessungen (Länge = 20 mm, Dicke = 0,5 mm und Profil = 30 mm) eingelegt. Mittlerweile betrugen Länge, Breite und Weg des Spiralprofils 20 mm, 0,5 mm und 30 mm. Das gedrehte Band wurde in einem Winkel von 45° und 90° geneigt. Verschiedene Arbeitsflüssigkeiten wie DW, nichtkovalente Nanoflüssigkeiten (GNPs-SDBS@DW) und kovalente Nanoflüssigkeiten (GNPs-COOH@DW) wurden in den Wärmetauschern bei Zinn = 308 K, drei verschiedenen Massenkonzentrationen und unterschiedlichen Reynolds-Zahlen getestet . Die Außenwände der Spiralrohre wurden auf eine konstante Oberflächentemperatur von 330 K erhitzt, um die Parameter zur Verbesserung der Wärmeübertragung zu untersuchen.

Abbildung 1 zeigt einen schematischen Aufbau des Twisted-Tape-Einführrohrs mit den geltenden Randbedingungen und Gitterbereichen. Wie bereits erwähnt, gelten Geschwindigkeits- und Druckrandbedingungen an den Einlass- und Auslassteilen der Spiralrohre. Unter der konstanten Oberflächentemperatur wird der Rohrwandung der rutschfeste Zustand verliehen. Die druckbasierte Lösung wurde in den aktuellen numerischen Simulationen verwendet. In der Zwischenzeit wurde das Programm (ANSYS FLUENT 2020R1) verwendet, um die partiellen Differentialgleichungen (PDEs) mithilfe der Finite-Volumen-Methode (FVM) in ein System algebraischer Gleichungen umzuwandeln. Die SIMPLE-Methodik zweiter Ordnung (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations-Consistent) korreliert Geschwindigkeit und Druck. Es sollte betont werden, dass die Konvergenz für die Restgleichungen von Masse, Impuls und Energie weniger als 103 bzw. 106 beträgt.

Schematische Darstellung einer physikalischen und rechnerischen Domäne; (a) 90°-Helixwinkel, (b) 45°-Helixwinkel, (c) keine Helixblätter.

Zur Erklärung der Natur von Nanoflüssigkeiten wird das homogene Modell verwendet. Durch die Zugabe von Nanomaterialien zur Basisflüssigkeit (DW) entsteht eine kontinuierliche Flüssigkeit mit hervorragenden thermophysikalischen Eigenschaften. Dabei haben Temperatur und Geschwindigkeit der Grundflüssigkeit und der Nanomaterialien die gleichen Werte. Die effektive Einphasenströmung funktioniert aufgrund der oben genannten Theorien und Hypothesen in dieser Forschung. Mehrere Untersuchungen haben die Gültigkeit und Anwendbarkeit der Einphasentechnik für Nanofluidströmungen bestätigt31,32.

Der Fluss von Nanoflüssigkeiten soll newtonsch-turbulent, inkompressibel und stationär sein. Kompressionsarbeit und viskose Erwärmung spielen in dieser Untersuchung keine Rolle. Auch die Dicken der inneren und äußeren Rohrwände werden nicht berücksichtigt. Daher können die Massen-, Impuls- und Energieerhaltungsgleichungen des thermischen Modells wie folgt angegeben werden33:

Maßgebende Gleichung für die Masse

Maßgebende Gleichung für den Impuls

Maßgebende Gleichung für den Energietransport

Dabei ist \(\overrightarrow{V}\) der mittlere Geschwindigkeitsvektor, Keff = K + Kt die effektive Wärmeleitfähigkeit kovalenter und nichtkovalenter Nanoflüssigkeiten und ϵ die Energiedissipationsrate. Die effektiven thermophysikalischen Eigenschaften des Nanofluids, einschließlich Dichte (ρ), Viskosität (μ), spezifische Wärmekapazität (Cp) und Wärmeleitfähigkeit (k), wurden in einer experimentellen Studie34 für eine Temperatur von 308 K gemessen und sind in der Tabelle aufgeführt 1 wurden in diesen Simulationen verwendet.

Die turbulente Nanofluidströmung in Glatt- und TT-Rohren wurde numerisch unter der Reynolds-Zahlenbedingung 7000 ≤ Re ≤ 17.000 simuliert. Diese Simulationsfälle und der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient wurden unter Anwendung des Mentor Shear Stress Transport (SST) κ-ω-Turbulenzmodells analysiert, einem Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Turbulenzmodell mit zwei Gleichungen, das häufig für die aerodynamische Forschung verwendet wird. Darüber hinaus funktioniert dieses Modell ohne Wandfunktionen und ist wandnah genau35,36. Die Gleichungen für das (SST) κ-ω-Turbulenzmodell lauten wie folgt:

Kinematische Wirbelviskosität

Kinetische Turbulenzenergie

Spezifische Verlustleistung

Abschlusskoeffizienten und Hilfsrelationen

Dabei ist \(S\) die Größe der Dehnungsrate und \(y\) der Abstand zur nächsten Oberfläche. Inzwischen sind \({\alpha }_{1}\), \({\alpha }_{2}\), \({\beta }_{1}\), \({\beta }_{2 }\), \({\beta }^{*}\), \({\sigma }_{{k}_{1}}\), \({\sigma }_{{k}_{2 }}\), \({\sigma }_{{\omega }_{1}}\) und \({\sigma }_{{\omega }_{2}}\) stellen alle Modellkonstanten dar. F1 und F2 beziehen sich auf die Mischfunktionen. Hinweis: F1 = 1 innerhalb der Grenzschicht und 0 im freien Strom.

Leistungsbewertungsparameter werden verwendet, um turbulente konvektive Wärmeübertragung sowie kovalente und nichtkovalente Nanofluidströmungen zu untersuchen, wie zum Beispiel31:

Reynolds Nummer

Prandtl-Nummer

Wärmegewinn (W)

Wärmedurchgangskoeffizient (W/m2. K)

Durchschnittliche Nusselt-Zahl

Reibungsfaktor

Druckverlust

Dittus-Boelter-Gleichung

Petukhov-Gleichungen

Gnielinski-Gleichung

Notter-Rouse-Gleichung

Blasius-Gleichung

Thermohydraulische Leistung

In diesem Zusammenhang werden (\(\rho\)), (\(v\)), (\({D}_{h}\)) und (\(\mu\)) für die Dichte verwendet Flüssigkeitsgeschwindigkeit, hydraulischer Durchmesser und dynamische Viskosität. (\({C}_{p}\, \mathrm{and}\, k\)) sind die spezifische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit des strömenden Fluids. Außerdem bezieht sich (\(\dot{m}\)) auf den Massendurchfluss und (\({T}_{out}-{T}_{in}\)) symbolisiert die Temperaturdifferenz zwischen Auslass und Einlass. (NFs) beziehen sich auf die kovalenten, nichtkovalenten Nanoflüssigkeiten und (DW) beziehen sich auf das destillierte Wasser (Basisflüssigkeit). \({A}_{s} = \pi DL\), \({\overline{T} }_{f}=\frac{\left({T}_{out}-{T}_{in }\right)}{2}\) und \({\overline{T} }_{w}=\sum \frac{{T}_{w}}{n}\).

Die thermisch-physikalischen Eigenschaften von Basisflüssigkeit (DW), nichtkovalenten Nanoflüssigkeiten (GNPs-SDBS@DW) und kovalenten Nanoflüssigkeiten (GNPs-COOH@DW) wurden aus der veröffentlichten Literatur (experimentelle Studie) unter Zinn = 308 K zusammengestellt. wie in Tabelle 134 gezeigt. In einem typischen Experiment wurde zur Herstellung eines nichtkovalenten (GNP-SDBS@DW) Nanofluids mit bekannten Massenprozentsätzen zunächst ein bestimmtes Gramm unberührter GNPs über eine digitale Waage gewogen. Ein Gewichtsverhältnis SDBS/unberührte GNPs von (0,5:1), suspendiert in DW. In der Zwischenzeit wurden die kovalenten (COOH-GNPs@DW) Nanofluide unter Verwendung eines stark sauren Mediums aus HNO3 und H2SO4 im Volumenverhältnis (1:3) synthetisiert, um Carboxylgruppen an der Oberfläche der GNPs hinzuzufügen. Die kovalenten und nichtkovalenten Nanoflüssigkeiten wurden in DW mit drei verschiedenen Massenprozentsätzen suspendiert, beispielsweise 0,025 Gew.-%, 0,05 Gew.-% und 0,1 Gew.-%.

Gitterunabhängigkeitstests wurden auf vier verschiedenen Rechendomänen durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Gittergröße keinen Einfluss auf die Simulationen hatte. Im Fall eines um 45° gedrehten Rohrs betrug die Anzahl der Elemente 249.033 bei einer Elementgröße von 1,75 mm, 307.969 bei einer Elementgröße von 2 mm, 421.406 bei einer Elementgröße von 2,25 mm bzw. 564.940 bei einer Elementgröße von 2,5 mm. Darüber hinaus betrug die Anzahl der Elemente im Fall eines um 90° verdrehten Rohrs 245.531 für eine Elementgröße von 1,75 mm, 311.584 für eine Elementgröße von 2 mm, 422.708 für eine Elementgröße von 2,25 mm bzw. 573.826 für eine Elementgröße von 2,5 mm . Die Genauigkeit thermischer Eigenschaften wie (Tout, htc und Nuavg)-Messwerte erhöhte sich durch Verringerung der Anzahl der Elemente. Die Genauigkeit der Werte für Reibungsfaktor und Druckabfall zeigte hingegen ein völlig anderes Verhalten (Abb. 2). Gitter (2) wurde als Hauptnetzdomäne verwendet, um die thermohydraulische Leistung in den Simulationsfällen zu bewerten.

Netzunabhängigkeitstests für Wärmeübertragungs- und Druckabfalleigenschaften unter Verwendung von um 45° und 90° gedrehten Rohren für DW.

Die aktuellen numerischen Ergebnisse wurden anhand bekannter empirischer Korrelationen und Gleichungen wie Dittus-Boelter, Petukhov, Gnielinski, Notter-Rouse und Blasius für Wärmeübertragungs- und Reibungsfaktoreigenschaften verifiziert. Der Vergleich erfolgte unter der Bedingung 7000 ≤ Re ≤ 17.000. Gemäß Abb. 3 betrugen die durchschnittlichen und maximalen Fehler zwischen den Simulationsergebnissen und den Wärmeübertragungsgleichungen 4,050 % und 5,490 % (Dittus-Boelter), 9,736 % und 11,33 % (Petukhov), 4,007 % und 7,483 % (Gnielinski) und 3,883 % und 4,937 % (Notter-Rouse). Unterdessen betrugen die durchschnittlichen und maximalen Fehler zwischen den Simulationsergebnissen und den Reibungsfaktorgleichungen 7,346 % und 8,039 % (Blasius) bzw. 8,117 % und 9,002 % (Petukhov).

Wärmeübertragungs- und Flüssigkeitsströmungseigenschaften von DW bei verschiedenen Reynolds-Zahlen unter Verwendung numerischer Berechnungen und empirischer Korrelationen.

In diesem Abschnitt werden die thermohydraulischen Eigenschaften von nicht-kovalenten (GNPs-SDBS) und kovalenten (GNPs-COOH) Wasser-Nanoflüssigkeiten bei drei verschiedenen Massenanteilen und der Reynolds-Zahl als Durchschnitt in Bezug auf die Basisflüssigkeit (DW) erörtert. Zwei Geometrien von verdrillten Bandwärmetauschern mit (45°- und 90°-Helixwinkel) wurden in 7000 ≤ Re ≤ 17.000 diskutiert. Abbildung 4 zeigt die durchschnittliche Austrittstemperatur von Nanoflüssigkeiten zur Basisflüssigkeit (DW) (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}} \)) bei (0,025 Gew.-%, 0,05 Gew.-% und 0,1 Gew.-%). (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) ist immer kleiner als 1, was bedeutet, dass die Auslasstemperatur von Die Temperatur der nichtkovalenten (GNPs-SDBS) und kovalenten (GNPs-COOH) Nanoflüssigkeiten lag unter der Auslasstemperatur der Basisflüssigkeit. Der niedrigste und höchste Rückgang wurde durch 0,1 Gew.-%-COOH@GNPs bzw. 0,1 Gew.-%-SDBS@GNPs erreicht. Dieses Phänomen wird durch einen Anstieg der Reynolds-Zahl bei konstantem Gewichtsanteil verursacht, was zu einer Änderung der Eigenschaften des Nanofluids (dh Dichte und dynamische Viskosität) führt.

Auslasstemperatur von Nanoflüssigkeiten zur Basisflüssigkeit im Vergleich zu den Reynolds-Zahlen für 45°- und 90°-Rohre.

Die Abbildungen 5 und 6 zeigen die durchschnittlichen Wärmeübertragungseigenschaften von Nanoflüssigkeiten zur Basisflüssigkeit (DW) bei (0,025 Gew.-%, 0,05 Gew.-% und 0,1 Gew.-%). Die durchschnittlichen Wärmeübertragungseigenschaften sind immer größer als eins, was bedeutet, dass die Wärmeübertragungseigenschaften von nichtkovalenten (GNPs-SDBS) und kovalenten (GNPs-COOH) Nanoflüssigkeiten im Vergleich zur Basisflüssigkeit verbessert wurden. Die geringste und höchste Steigerung wurde durch 0,1 Gew.-%-COOH@GNPs bzw. 0,1 Gew.-%-SDBS@GNPs erreicht. Die Wärmetransporteigenschaften verbesserten sich mit zunehmender Reynolds-Zahl aufgrund der stärkeren Flüssigkeitsmischung und Turbulenz im Rohr1. Die durch die kleinen Lücken strömende Flüssigkeit erhält eine höhere Geschwindigkeit, wodurch die Geschwindigkeits-/Wärmegrenzschichten dünner werden und somit die Wärmeübertragungsrate erhöht wird. Das Hinzufügen weiterer Nanopartikelanteile zur Grundflüssigkeit führt zu positiven und negativen Ergebnissen. Zu den günstigen Einflüssen gehören eine erhöhte Kollision von Nanopartikeln, eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit und vorteilhafte Anforderungen für die Steigerung der Wärmeübertragung.

Wärmeübertragungskoeffizient von Nanoflüssigkeiten zur Basisflüssigkeit im Vergleich zu den Reynolds-Zahlen für 45°- und 90°-Rohre.

Durchschnittliche Nusselt-Zahl von Nanoflüssigkeiten zur Basisflüssigkeit im Vergleich zu Reynolds-Zahlen für 45°- und 90°-Rohre.

Die negative Auswirkung ist die erhöhte dynamische Viskosität des Nanofluids, die die Bewegung des Nanofluids und damit die durchschnittliche Nusselt-Zahl (Nuavg) verringert. Die erhöhte Wärmeleitfähigkeit der Nanoflüssigkeiten (GNPs-SDBS@DW) und (GNPs-COOH@DW) soll auf die Brownsche Bewegung und Mikrokonvektion der in DW suspendierten Graphen-Nanopartikel zurückzuführen sein37. (GNPs-COOH@DW) Nanoflüssigkeiten hatten eine höhere Wärmeleitfähigkeit als (GNPs-SDBS@DW) Nanoflüssigkeiten und destilliertes Wasser. Die Zugabe weiterer Nanomaterialanteile zur Grundflüssigkeit erhöhte deren Wärmeleitfähigkeit (Tabelle 1)38.

Abbildung 7 erläutert den durchschnittlichen Reibungsfaktor von Nanoflüssigkeiten gegenüber der Basisflüssigkeit (DW) (f(NFs)/f(DW)) bei den Massenprozenten von (0,025 %, 0,05 % und 0,1 %). Der durchschnittliche Reibungsfaktor beträgt immer ≈ 1, was bedeutet, dass der Reibungsfaktor von nichtkovalenten (GNPs-SDBS@DW) und kovalenten (GNPs-COOH@DW) Nanoflüssigkeiten mit der Basisflüssigkeit gleich war. Die Wärmetauscher mit weniger Platz führten zu mehr Strömungshindernissen und erhöhter Strömungsreibung1. Hauptsächlich stieg der Reibungsfaktor geringfügig an, während der Massenanteil der Nanoflüssigkeiten zunahm. Der höhere Reibungsverlust wurde durch eine erhöhte dynamische Viskosität des Nanofluids und Scherspannungen auf Oberflächen mit höheren Nano-Graphen-Massenanteilen in der Basisflüssigkeit verursacht. Gemäß Tabelle (1) war die dynamische Viskosität des (GNPs-SDBS@DW)-Nanofluids bei gleichen Gewichtsprozentsätzen höher als die des (GNPs-COOH@DW)-Nanofluids, was auf die Auswirkungen der Zugabe von Tensid während der Herstellung zurückzuführen ist nichtkovalente Nanoflüssigkeiten.

Reibungsfaktor von Nanoflüssigkeiten gegenüber der Grundflüssigkeit im Vergleich zu den Reynolds-Zahlen für 45°- und 90°-Rohre.

Abbildung 8 zeigt den durchschnittlichen Druckverlust von Nanoflüssigkeiten gegenüber der Basisflüssigkeit (DW) (\(\frac{{\Delta P}_{NFs}}{{\Delta P}_{DW}}\)) bei den Massenprozenten von (0,025 %, 0,05 % und 0,1 %). Nichtkovalente (GNPs-SDBS@DW) Nanoflüssigkeiten weisen einen höheren durchschnittlichen Druckverlust und -anstieg auf, indem der Gewichtsprozentsatz in beiden Fällen auf 2,04 % für 0,025 Gew.-%, 2,46 % für 0,05 Gew.-% und 3,44 % für 0,1 Gew.-% erhöht wird Fällen (45° und 90° Schrägungswinkel). Unterdessen zeigten (GNPs-COOH@DW)-Nanoflüssigkeiten einen geringeren durchschnittlichen Druckverlust, der von 1,31 % für 0,025 Gew.-% auf 1,65 % für 0,05 Gew.-% anstieg. Der durchschnittliche Druckverlust für 0,05 Gew.-%-COOH@GNPs und 0,1 Gew.-%-COOH@GNPs beträgt 1,65 %. Wie gezeigt, erhöhte sich der Druckabfall in allen Fällen um die Erhöhung der Re-Zahl. Der erhöhte Druckabfall bei hohen Re-Werten könnte durch den direkten Zusammenhang mit dem Volumenstrom begründet werden. Daher führen höhere Re-Zahlen in Rohren zu einem höheren Druckabfall, was eine erhöhte Pumpleistung erfordert39,40. Darüber hinaus verstärkte ein höherer Druckverlust aufgrund der durch die größere Oberfläche erzeugten höheren Wirbel- und Turbulenzintensitäten die Wechselwirkung von Druckkräften mit Trägheitskräften in der Grenzschicht1.

Druckverluste von Nanoflüssigkeiten gegenüber der Basisflüssigkeit im Vergleich zu den Reynolds-Zahlen für 45°- und 90°-Rohre.

Insgesamt ist das Leistungsbewertungskriterium (PEC) von nichtkovalenten (GNPs-SDBS@DW) und kovalenten (GNPs-COOH@DW) Nanoflüssigkeiten in Abb. 9 dargestellt. (GNPs-SDBS@DW) Nanoflüssigkeiten weisen höhere PEC-Werte auf als (GNPs-COOH@DW) in beiden Fällen (Helixwinkel 45° und 90°) und werden durch Erhöhung der Massenanteile erhöht, z. B. 1,17 für 0,025 Gew.-%, 1,19 für 0,05 Gew.-% und 1,26 für 0,1 Gew.-%. Mittlerweile beträgt der PEC-Wert bei Verwendung von (GNPs-COOH@DW) Nanofluiden 1,02 für 0,025 Gew.-%, 1,05 für 0,05 Gew.-% und 1,02 für 0,1 Gew.-% in beiden Fällen (45°- und 90°-Helixwinkel). Im Allgemeinen nahm der thermohydraulische Leistungsfaktor mit zunehmender Reynolds-Zahl erheblich ab. Der Rückgang des thermohydraulischen Leistungsfaktors wird systematisch auf den Anstieg von (NuNFs/NuDW) und den Rückgang von (fNFs/fDW) mit zunehmender Reynolds-Zahl zurückgeführt1.

Hydrothermale Leistung von Nanoflüssigkeiten gegenüber der Basisflüssigkeit im Vergleich zu den Reynolds-Zahlen für 45°- und 90°-Rohre.

In diesem Abschnitt werden die thermohydraulischen Eigenschaften von Wasser (DW), nichtkovalenten (GNPs-SDBS@DW) und kovalenten (GNPs-COOH@DW) Nanoflüssigkeiten bei drei verschiedenen Gewichtskonzentrationen und Reynolds-Zahlen erörtert. Zur Bewertung der Durchschnittswerte der thermohydraulischen Eigenschaften wurden zwei verdrillte Bandwärmetauschergeometrien mit (45°- und 90°-Helixwinkeln) im Bereich von 7000 ≤ Re ≤ 17.000 relativ zum Glattrohr berücksichtigt. Abbildung 10 zeigt die Austrittstemperatur von Wasser und Nanoflüssigkeiten als Durchschnittswert unter Verwendung von (45°- und 90°-Helixwinkeln) zum glatten Rohr (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{ {T}_{out}}_{Plain}}\)). Die nichtkovalenten (GNPs-SDBS@DW) und kovalenten (GNPs-COOH@DW) Nanoflüssigkeiten lagen in drei verschiedenen Massenanteilen vor, beispielsweise 0,025 Gew.-%, 0,05 Gew.-% und 0,1 Gew.-%. Wie in Abb. 11 dargestellt, sind die durchschnittlichen Auslasstemperaturwerte (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{{T}_{out}}_{Plain}}\)) sind > 1, was darauf hindeutet, dass die Auslasstemperatur von Wärmetauschern (45°- und 90°-Helixwinkel) aufgrund einer stärkeren Turbulenzintensität und einer besseren Flüssigkeitsmischung signifikanter war als der Wert der Auslasstemperatur für das glatte Rohr. Darüber hinaus sinkt mit steigender Reynolds-Zahl die Austrittstemperatur von DW sowie nichtkovalenten und kovalenten Nanoflüssigkeiten. Basisflüssigkeit (DW) weist die höchsten durchschnittlichen Ausgangstemperaturwerte auf. Mittlerweile gilt der niedrigste Wert für 0,1 Gew.-% SDBS@GNPs. Die nichtkovalenten (GNPs-SDBS@DW) Nanoflüssigkeiten weisen im Vergleich zu kovalenten (GNPs-COOH@DW) Nanoflüssigkeiten eine niedrigere durchschnittliche Auslasstemperatur auf. Da das Strömungsfeld durch das verdrillte Band stärker durcheinandergebracht wird, kann der Wandwärmefluss leichter durch die Flüssigkeitsströmung strömen, wodurch die Temperatur des Volumens steigt. Kleinere Werte für das Verhältnis des verdrillten Bandes führen zu einer besseren Durchdringung, was die Wärmeübertragung verbessert. Andererseits sorgt das verdrillte Band für eine niedrigere Temperatur in der Nähe der Wand, was wiederum den Nuavg erhöht. Bei verdrillten Bandeinsätzen weist ein höherer Nuavg auf eine verbesserte konvektive Wärmeübertragung über Rohr22 hin. Erhöhte Verweilzeit aufgrund des erhöhten Strömungswegs mit zusätzlicher Vermischung und Entstehung von Turbulenzen, was zu einem Anstieg der Auslasstemperatur der Flüssigkeit führt41.

Auslasstemperatur (45°- und 90°-Helixwinkel) relativ zum Glattrohr im Vergleich zu den Reynolds-Zahlen für verschiedene Nanoflüssigkeiten.

Wärmeübertragungskoeffizient (45°- und 90°-Helixwinkel) relativ zu einem glatten Rohr im Vergleich zu den Reynolds-Zahlen für verschiedene Nanoflüssigkeiten.

Die primären Mechanismen der Verbesserung der Wärmeübertragung durch verdrilltes Band sind folgende: 1. Die Verringerung des hydraulischen Durchmessers eines Wärmeübertragungsrohrs führt zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und Krümmung, was wiederum die Scherspannung in der Nähe der Wand erhöht und die Sekundärbewegung fördert. 2. Die Geschwindigkeit nimmt in der Nähe der Rohrwand aufgrund des blockierten verdrillten Bandes zu, wodurch die Dicke der Grenzschicht abnimmt. 3. Die spiralförmige Strömung, die dem verdrillten Band folgt, führt zu einer Geschwindigkeitserhöhung. 4. Die induzierte Wirbelströmung verbessert die Flüssigkeitsmischung zwischen dem Kern und den wandnahen Strömungsbereichen42. Die Abbildungen 11 und 12 zeigen die Wärmeübertragungseigenschaften (Wärmeübertragungskoeffizient und durchschnittliche Nusselt-Zahl) von DW und Nanofluiden als Durchschnittswert unter Verwendung von Rohren mit verdrillten Bandeinsätzen im Vergleich zum Glattrohr. Die nichtkovalenten (GNPs-SDBS@DW) und kovalenten (GNPs-COOH@DW) Nanoflüssigkeiten lagen in drei verschiedenen Massenanteilen vor, beispielsweise 0,025 Gew.-%, 0,05 Gew.-% und 0,1 Gew.-%. In beiden Wärmetauschern (45°- und 90°-Helixwinkel) sind die Durchschnittswerte der Wärmeübertragungseigenschaften > 1, was auf eine Verbesserung des Wärmeübertragungskoeffizienten und der durchschnittlichen Nusselt-Zahl bei Verwendung von verdrillten Rohren im Vergleich zu Glattrohren hinweist. Die nicht-kovalenten (GNPs-SDBS@DW) Nanoflüssigkeiten zeigen eine höhere durchschnittliche Verbesserung der Wärmeübertragung als kovalente (GNPs-COOH@DW) Nanoflüssigkeiten. Die höchste Steigerung der Wärmeübertragungseigenschaften wurde durch 0,1 Gew.-% SDBS@GNPs mit einem Wert von 1,90 in beiden Wärmetauschern (45°- und 90°-Helixwinkel) bei Re = 900 erreicht. Dies bedeutet, dass die Rolle der einheitlichen TT Die zunehmende Turbulenzintensität ist bei niedrigeren Flüssigkeitsgeschwindigkeiten (Reynolds-Zahlen) weitaus größer43. Der Wärmeübergangskoeffizient und die durchschnittliche Nusselt-Zahl in TT-Rohren sind aufgrund der Induktion mehrerer Wirbelströme höher als in einem Glattrohr, was zu einer dünneren Grenzschicht führt. Vergleich mit dem Basisrohr (keine verdrillten Bandeinsätze), ob das Vorhandensein von TT zu einer erhöhten Turbulenzintensität, einer Strömungsmischung der Arbeitsflüssigkeiten und einer Verbesserung der Wärmeübertragung führt21.

Durchschnittliche Nusselt-Zahl (45°- und 90°-Helixwinkel) relativ zu einem glatten Rohr im Vergleich zu den Reynolds-Zahlen für verschiedene Nanoflüssigkeiten.

In den Abbildungen 13 und 14 sind der durchschnittliche Reibungsfaktor (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain}}\)) und der Druckverlust (\(\frac{{\Delta P}_) dargestellt. {Verdreht}}{{\Delta P}_{Plain}}\)) von 45°- und 90°-Wärmetauschern relativ zum glatten Rohr unter Verwendung von DW-, (GNPs-SDBS@DW)- und (GNPs-COOH@DW)-Nanofluiden mit (0,025 Gew.-%, 0,05 Gew.-% und 0,1 Gew.-%). Es kann aus den Abb. beobachtet werden. 13 und 14: Mit zunehmender Reynolds-Zahl in beiden Wärmetauschern (45°- und 90°-Helixwinkel) steigt das Verhältnis des Reibungsfaktors (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain} }\)) und der Druckverlust (\(\frac{{\Delta P}_{Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\)) nimmt ab. Für alle bewerteten Szenarien sind die Werte für Reibungsfaktor und Druckverlust bei niedrigeren Reynolds-Zahlen besser. Der durchschnittliche Reibungsfaktor und Druckverlust liegen zwischen 3,78 und 3,12. Der durchschnittliche Reibungsfaktor und der Druckverlust zeigen, dass der Wert von Wärmetauschern (45°- und 90°-Helixwinkel) dreimal so hoch ist wie der von Glattrohrwärmetauschern. Darüber hinaus verringert sich der Reibungsfaktor, wenn das Arbeitsmedium mit höherer Geschwindigkeit strömt. Dieses Problem liegt daran, dass durch die Erhöhung der Reynolds-Zahl die Dicke der Grenzschicht abnimmt, was zu einer Verringerung des Einflusses der dynamischen Viskosität auf den betroffenen Bereich sowie einer Verringerung des Geschwindigkeitsgradienten und der Scherspannung und damit zu einer Verringerung des Reibungsfaktors führt21. Die Verbesserung der Sperrwirkung aufgrund des Vorhandenseins von TT und erhöhter Wirbelströmungen führt zu einem viel höheren Druckverlust für das ungleichmäßige TT-Rohr als für die Basisrohre. Darüber hinaus ist sowohl bei den Basis- als auch bei den TT-Rohren zu erkennen, dass der Druckabfall mit zunehmender Geschwindigkeit der Arbeitsflüssigkeiten zunimmt43.

Reibungsfaktor (45°- und 90°-Helixwinkel) relativ zu einem glatten Rohr im Vergleich zu den Reynolds-Zahlen für verschiedene Nanoflüssigkeiten.

Druckverlust (45°- und 90°-Helixwinkel) relativ zu einem glatten Rohr im Vergleich zu den Reynolds-Zahlen für verschiedene Nanoflüssigkeiten.

Im Allgemeinen zeigt Abb. 15 das Leistungsbewertungskriterium (PEC) von 45°- und 90°-Wärmetauschern im Vergleich zum Glattrohr (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\ )) unter Verwendung von DW, (GNPs-SDBS@DW) und kovalenten (GNPs-COOH@DW) Nanofluiden in (0,025 Gew.-%, 0,05 Gew.-% und 0,1 Gew.-%). Der Wert für (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) ist in beiden Fällen (45°- und 90°-Helixwinkel) Wärmetauscher > 1. Darüber hinaus wird der bessere Wert von (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) bei Re = 11.000 erreicht. Der 90°-Winkelwärmetauscher zeigte einen leichten Anstieg (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) der Werte im Vergleich zum 45°-Winkelwärmetauscher . Darüber hinaus weist bei Re = 11.000 0,1 Gew.-%-GNPs@SDBS auf einen höheren Wert (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) hin, beispielsweise 1,25 für 45°-Winkelwärmetauscher und 1,27 für 90°-Winkelwärmetauscher. Er ist bei allen Massenanteilprozentsätzen größer als eins, was darauf hinweist, dass das Rohr mit verdrillten Bandeinsätzen dem glatten Rohr überlegen ist. Es ist zu beachten, dass die durch die Bandeinsätze bereitgestellte Steigerung der Wärmeübertragung zu einem deutlich erhöhten Reibungsverlust führt22.

Leistungsbewertungskriterium (45°- und 90°-Helixwinkel) relativ zu Glattrohr im Vergleich zu Reynolds-Zahlen für verschiedene Nanoflüssigkeiten.

Anhang A zeigt die Geschwindigkeitsstromlinien von 45°- und 90°-Wärmetauschern, die das DW, 0,1 Gew.-%-GNPs-SDBS@DW und 0,1 Gew.-%-GNPs-COOH@DW bei Re = 7000 verwenden. Die Stromlinien in der Querebenen sind die bemerkenswertesten Merkmale der Wirkung der verdrillten Bandeinsätze auf die Hauptströmung. Die Anwendungen von 45°- und 90°-Wärmetauschern zeigten etwa die gleiche Geschwindigkeit in den wandnahen Bereichen. Anhang B zeigt die Geschwindigkeitskonturen von 45°- und 90°-Wärmetauschern unter Verwendung von DW, 0,1 Gew.-%-GNPs-SDBS@DW und 0,1 Gew.-%-GNPs-COOH@DW bei Re = 7000. Die Geschwindigkeitskonturen waren an drei separaten Stellen (Scheiben), wie Ebene-1 (P1 = −30 mm), Ebene-4 (P4 = 60 mm) und Ebene-7 (P7 = 150 mm). Die niedrigste Geschwindigkeit liegt in der Nähe der Rohrwand vor, und die Flüssigkeitsgeschwindigkeit nimmt in Richtung der Rohrmitte zu. Außerdem vergrößert sich durch die Bewegung über das Rohr die Zone mit geringer Geschwindigkeit neben der Wand. Dies ist auf das Wachstum hydrodynamischer Grenzschichten zurückzuführen, wodurch die Dicke der Zone niedriger Geschwindigkeit neben der Wand zunimmt. Darüber hinaus verbessert die Erhöhung der Reynolds-Zahl das Gesamtgeschwindigkeitsniveau in allen Querschnitten und verringert die Dicke der Zonen mit niedriger Geschwindigkeit durch das Rohr39.

Kovalente und nichtkovalente funktionalisierte Graphen-Nanoplättchen wurden in gedrehten Bandeinsätzen mit Helixwinkeln von 45° und 90° untersucht. Die Wärmetauscher wurden numerisch mithilfe von SST-k-Omega-Turbulenzmodellen in 7000 ≤ Re ≤ 17.000 gelöst. Die thermophysikalischen Eigenschaften wurden bei Zinn = 308 K berechnet. Gleichzeitig wurden die Wände des verdrillten Rohrs auf eine konstante Temperatur von 330 K erhitzt. (GNPs-SDBS@DW) und (GNPs-COOH@DW) Nanofluide in drei Massenverdünnungen wie (0,025 Gew.-%, 0,05 Gew.-% und 0,1 Gew.-%). Die aktuelle Forschung berücksichtigt sechs Hauptfaktoren: Auslasstemperatur, Wärmeübertragungskoeffizient, durchschnittliche Nusselt-Zahl, Reibungsfaktor, Druckverlust und Leistungsbewertungskriterium. Im Folgenden sind die wichtigsten Erkenntnisse aufgeführt:

Die durchschnittliche Austrittstemperatur (\({{T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) ist immer kleiner als 1, was bedeutet, dass die Die Auslasstemperatur der nichtkovalenten (GNPs-SDBS@DW) und kovalenten (GNPs-COOH@DW) Nanoflüssigkeiten war niedriger als die Auslasstemperatur der Basisflüssigkeit. Inzwischen sind die Werte für die durchschnittliche Auslasstemperatur (\({{T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\) > 1, was darauf hindeutet Die Auslasstemperatur (45°- und 90°-Helixwinkel) war höher als der Wert der Auslasstemperatur für das glatte Rohr.

In beiden Fällen zeigen die durchschnittlichen (Nanoflüssigkeiten/Basisflüssigkeiten) und (verdrillten Rohre/glatten Rohre) Wärmeübertragungseigenschaften immer > 1. Die nicht-kovalenten (GNPs-SDBS@DW) Nanoflüssigkeiten zeigten eine höhere durchschnittliche Steigerung der Wärmeübertragung, entsprechend der kovalenten ( GNPs-COOH@DW) Nanoflüssigkeiten.

Der durchschnittliche Reibungsfaktor (\({f}_{Nanofluids}/{f}_{Basefluid}\)) von nichtkovalenten (GNPs-SDBS@DW) und kovalenten (GNPs-COOH@DW) Nanofluiden beträgt immer ≈ 1 . Mittlerweile beträgt der durchschnittliche Reibungsfaktor (\({f}_{Twisted}/{f}_{Plain}\)) von nichtkovalenten (GNPs-SDBS@DW) und kovalenten (GNPs-COOH@DW) Nanoflüssigkeiten immer > 3.

In beiden Fällen (Helixwinkel 45° und 90°) zeigten (GNPs-SDBS@DW) Nanoflüssigkeiten einen höheren Wert (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) von 2,04 % für 0,025 Gew.-%, 2,46 % für 0,05 Gew.-% und 3,44 % für 0,1 Gew.-%. In der Zwischenzeit zeigten (GNPs-COOH@DW) Nanoflüssigkeiten niedrigere Werte (\({\Delta P}_{Nanoflüssigkeiten}/{\Delta P}_{Basisflüssigkeit}\)) von 1,31 % für 0,025 Gew.-% auf 1,65 % für 0,05 Gew.-%. Darüber hinaus ist der durchschnittliche Druckverlust (\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\)) von nichtkovalenten (GNPs-SDBS@DW) und kovalenten (GNPs-COOH@DW ) Nanofluide ist immer > 3.

In beiden Fällen (45°- und 90°-Helixwinkel) zeigten (GNPs-SDBS@DW)-Nanoflüssigkeiten höhere (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\))-Werte als (GNPs-COOH). @DW), beispielsweise 1,17 für 0,025 Gew.-%, 1,19 für 0,05 Gew.-% und 1,26 für 0,1 Gew.-%. Unterdessen betrug der Wert von (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\)) unter Verwendung von (GNPs-COOH@DW) Nanofluiden 1,02 für 0,025 Gew.-%, 1,05 für 0,05 Gew.-% und 1,02 für 0,1 Gew.-%. Darüber hinaus zeigt 0,1 Gew.-%-GNPs@SDBS bei Re = 11.000 den höheren (\({PEC}_{Twisted}/{PEC}_{Plain}\))-Wert, z. B. 1,25 für einen Helixwinkel von 45° und 1,27 für einen Spiralwinkel von 90°.

Alle während der aktuellen Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

Silber

Aluminiumoxid

Rohroberfläche (m2)

Carboxymethylcellulose

Carbonsäure

Spezifische Wärmekapazität (J/kg·K)

Kupfer

Kupferoxid

Hydraulischer Rohrdurchmesser (mm)

Gedrehter Turbulatoreinsatz mit Noppen

Destilliertes Wasser

Reibungsfaktor

Eisen

Finite-Volumen-Methode

Graphen-Nanoplättchen

Graphenoxid

Graphen

Verdrehtes Bandverhältnis

Schwefelsäure

Salpetersäure

Wärmedurchgangskoeffizient (W/m2. K)

Wärmeleitfähigkeit (W/m·K)

Effektive Wärmeleitfähigkeit (W/m·K)

Rohrlänge (mm)

Massendurchfluss (kg/s)

Magnesiumoxid

Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren

Durchschnittliche Nusselt-Zahl

Phasenwechselmaterial

Kriterien zur Leistungsbeurteilung

Prandtl-Nummer

Platin

Wärmegewinn (W)

Reynolds Nummer

Natriumdodecylbenzolsulfonat

Stachelige, verdrehte Bänder

Massentemperatur (K)

Dreiteilige Hybrid-Nanofluide

Einlassflüssigkeitstemperatur (K)

Titandioxid

Austrittsflüssigkeitstemperatur (K)

Wandoberflächentemperatur (K)

Geschwindigkeit des Arbeitsmediums (m/s)

V-Schnitte verdrehtes Band

Drahtspule

Gewichtskonzentration von Nanopartikeln

Druckabfall (Pa)

Energieverlustrate (m2/s3)

Dynamische Viskosität (Ns/m2)

Dichte (kg/m3)

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Die Autoren möchten den angesehenen Rezensenten und Herausgebern ihre Wertschätzung und Dankbarkeit für ihre konstruktiven Kommentare zum Ausdruck bringen. Darüber hinaus möchte der Erstautor die Unterstützung würdigen, die er vom Nanchang Key Laboratory of Internet of Things Information Visualization Technology (Grant No. 2020-NCZDSY-017) erhalten hat. Darüber hinaus danken die Autoren der Unterstützung durch das Al-Mustaqbal University College (Fördernummer: MUC-E-0122). Abschließend möchte ich der King Fahd University of Petroleum and Minerals für ihre technische Unterstützung danken.

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Hai Tao

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Hai Tao

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Hai Tao

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Abteilung für Erdölsystemsteuerungstechnik, College of Petroleum Processes Engineering, Universität Tikrit, Tikrit, Irak

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Rat Z. Homod

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Abteilung für Bau- und Konstruktionstechnik, AL-Mustaqbal University College, Hillah, 51001, Irak

Mayadah W. Falah

Bau-, Umwelt- und Naturressourceningenieurwesen, Lulea University of Technology, 97187, Lulea, Schweden

Nadhir Al-Ansari

Abteilung für Bau- und Umweltingenieurwesen, King Fahd University of Petroleum and Minerals, Dhahran, 31261, Saudi-Arabien

Zaher Mundher Yaseen

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HT: Konzeptualisierung, Schreiben, Analyse, Untersuchung, Validierung, Visualisierung. OAA: Konzeptualisierung, Methodik, Datenanalyse, Verfassen, Analyse, Untersuchung, Validierung, Visualisierung. OAH: Konzeptualisierung, Verfassen, Analyse, Untersuchung, Validierung, Visualisierung. WA: Konzeptualisierung, Schreiben, Analyse, Untersuchung, Validierung, Visualisierung. AHA: Konzeptualisierung, Schreiben, Analyse, Untersuchung, Validierung, Visualisierung. RZH: Konzeptualisierung, Supervision, Verfassen, Analyse, Untersuchung, Validierung, Visualisierung. ME: Konzeptualisierung, Schreiben, Analyse, Untersuchung, Validierung, Visualisierung. MWF: Schreiben, Analyse, Untersuchung, Validierung, Visualisierung. NA-A.: Überwachung, Konzeptualisierung, Verfassen, Analyse, Untersuchung, Validierung, Visualisierung. ZMY: Projektleiter, Überwachung, Konzeptualisierung, Ausarbeitung, Analyse, Untersuchung, Validierung, Visualisierung.

Korrespondenz mit Zaher Mundher Yaseen.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Geschwindigkeitsstromlinien von 45°- und 90°-Wärmetauschern unter Verwendung von DW, 0,1 Gew.-%-GNPs-SDBS@DW und 0,1 Gew.-%-GNPs-COOH@DW bei Re = 7000.

Geschwindigkeitskonturen von 45°- und 90°-Wärmetauschern unter Verwendung von DW, 0,1 Gew.-%-GNPs-SDBS@DW und 0,1 Gew.-%-GNPs-COOH@DW bei Re = 7000.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Tao, H., Alawi, OA, Hussein, OA et al. Thermohydraulische Analyse kovalenter und nichtkovalenter funktionalisierter Graphen-Nanoplättchen in kreisförmigen Röhren, die mit Turbulatoren ausgestattet sind. Sci Rep 12, 17710 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22315-9

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Eingegangen: 26. August 2022

Angenommen: 12. Oktober 2022

Veröffentlicht: 21. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22315-9

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Thermohydraulische Analyse kovalenter und nichtkovalenter funktionalisierter Graphen-Nanoplättchen in kreisförmigen Röhren, die mit Turbulatoren ausgestattet sind