Experimenteel onderzoek naar stabiliteit en natuurlijke convectie van TiO2-water nanovloeistof in behuizingen met verschillende rotatiehoeken

Abstract

De stabiliteit en natuurlijke convectie warmteoverdrachtseigenschappen van TiO₂ -water nanovloeistof in behuizingen met verschillende rotatiehoeken (α = −45°, α = 0°, α = 45°, en α = 90°) worden experimenteel onderzocht. De effecten van verschillende pH-waarden en doseringen (m ) dispergeermiddel op de stabiliteit van TiO₂ -water nanovloeistof worden onderzocht. Het is gebleken dat TiO₂ -water nanovloeistof met m = 6 wt% en pH = 8 heeft de laagste transmissie en heeft de beste stabiliteit. De effecten van verschillende rotatiehoeken (α = −45°, α = 0°, α = 45°, en α = 90°), nanodeeltjes massafracties (wt% = 0.1%, wt% = 0.3% en wt% = 0.5%) en verwarmingsvermogens (Q = 1 W, Q = 5 W, Q = 10 W, Q = 15 W, en Q = 20 W) op de kenmerken van natuurlijke convectiewarmteoverdracht worden ook bestudeerd. Het blijkt dat de kast met draaihoek α = 0° het hoogste Nusseltgetal heeft, gevolgd door de kast met draaihoeken α = 45° en α = 90°, de behuizing met draaihoek α = −45° heeft het laagste Nusseltgetal. Er is ook gevonden dat de prestaties van natuurlijke convectiewarmteoverdracht toenemen met de nanodeeltjesmassafractie en het verwarmingsvermogen, maar de verbeteringsverhouding neemt af met het verwarmingsvermogen.

Achtergrond

Omdat nanovloeistof wordt bereid, vanwege zijn uitstekende warmtegeleidende eigenschappen [1,2,3], wordt nanovloeistof veel toegepast in het gebied van warmteoverdracht [4,5,6], vooral in het natuurlijke convectieveld [7,8,9].

Natuurlijke convectie warmteoverdracht kenmerken van nanovloeistof worden numeriek onderzocht door veel onderzoekers. Hij et al. [10, 11] paste een eenfasige en een tweefasige Boltzmann-methode toe om de natuurlijke convectiewarmteoverdracht van Al₂ numeriek te bestuderen O₃ -water nanovloeistof in een vierkante holte, respectievelijk. Sheikholeslami et al. [12] onderzocht de magnetohydrodynamische natuurlijke convectie warmteoverdrachtskarakteristieken van een horizontale cilindrische behuizing met een binnenste driehoekige cilinder gevuld met Al₂ O₃ -water nanovloeistof door een rooster Boltzmann simulatiemethode. Uddin et al. [13] bestudeerde de natuurlijke convectiewarmteoverdracht van verschillende nanovloeistoffen langs een verticale plaat ingebed in een poreus medium op basis van het Darcy-Forchheimer-model. Meng et al. [14] numeriek de natuurlijke convectie onderzocht van een horizontale cilinder gevuld met Al₂ O₃ -water nanovloeistof. Achmed et al. [15] gebruikte een Boltzmann-methode met twee fasen rooster om de natuurlijke convectie van CuO-water nanovloeistof in een hellende behuizing te bestuderen. Qi et al. [16] numeriek de natuurlijke convectie van Cu-Ga-nanovloeistof in een behuizing gesimuleerd.

Naast bovenstaande numerieke simulaties van de natuurlijke convectie van nanovloeistof, worden de experimentele studies naar natuurlijke convectie van nanovloeistof door steeds meer onderzoekers gedaan. Li et al. [17] heeft experimenteel de natuurlijke convectiewarmteoverdracht van ZnO-EG/water nanovloeistof onderzocht. Hu et al. [18, 19] heeft experimenteel de verbetering van de natuurlijke convectiewarmteoverdracht bestudeerd van een vierkante behuizing gevuld met TiO₂ -water en Al₂ O₃ -water nanovloeistoffen respectievelijk. Hoe et al. [20] heeft experimenteel de natuurlijke convectiewarmteoverdracht bestudeerd van verticale vierkante behuizingen met verschillende afmetingen gevuld met Al₂ O₃ -water nanovloeistof. Heris et al. [21,22,23] heeft experimenteel de eigenschappen van convectieve warmteoverdracht van verschillende soorten nanovloeistof (Cu/water, Al₂ O₃ -water en CuO-water) in respectievelijk cirkelvormige buizen. Mansour et al. [24] experimenteel onderzoek gedaan naar de gemengde convectie van een hellende buis gevuld met Al₂ O₃ -water nanovloeistof. Chang et al. [25] experimenteel onderzoek gedaan naar de natuurlijke convectie van Al₂ O₃ -water nanovloeistof in dunne behuizingen. Wen et al. [26, 27] heeft experimenteel de eigenschappen van convectieve warmteoverdracht van Al₂ . onderzocht O₃ -water nanovloeistoffen en TiO₂ -water nanovloeistoffen onder laminaire stromingscondities, respectievelijk. Xuan et al. [28] heeft experimenteel de convectiewarmteoverdracht van Cu-water nanovloeistof in een rechte koperen buis bestudeerd.

Bovenstaande literatuur heeft een grote bijdrage geleverd aan de natuurlijke convectiewarmteoverdrachtskenmerken van nanovloeistof. De verbetering van de natuurlijke convectiewarmteoverdracht van behuizingen met verschillende rotatiehoeken gevuld met nanovloeistof moet echter verder worden onderzocht. Vandaar de stabiliteit en natuurlijke convectie warmteoverdrachtseigenschappen van TiO₂ -water nanovloeistof in behuizingen met verschillende rotatiehoeken (α = −45°, α = 0°, α = 45°, en α = 90°) worden in dit artikel experimenteel onderzocht.

Methode

Voorbereiding van nanovloeistof en zijn stabiliteit

TiO₂ wordt gekozen als de nanodeeltjes. Afbeelding 1 toont de SEM-, TEM- en XRD-afbeeldingen van TiO₂ nanodeeltjes bij verschillende vergrotingstijden. Uit SEM-beelden blijkt dat de nanodeeltjes gemakkelijk samenkomen, en het is noodzakelijk om enkele maatregelen te nemen om de stabiele nanovloeistoffen te bereiden. Uit TEM-beelden blijkt ook dat de deeltjesgrootte ongeveer 10 nm is en dat de vormen van nanodeeltjes plat zijn. Platte nanodeeltjes hebben een groter warmteoverdrachtsgebied dan sferische nanodeeltjes bij dezelfde massafractie, wat voordelig is voor de verbetering van de warmteoverdracht. Afbeelding 1g toont de XRD-patronen van de TTP-A10 TiO₂ nanodeeltje. Zoals waargenomen, suggereren de sterke en scherpe pieken dat de TTP-A10 TiO₂ nanodeeltjesmonster is zeer kristallijn. De gemiddelde deeltjesgrootte van het monster kan worden berekend door de Scherrer-vergelijking gepresenteerd in Vgl. (1). De TiO₂ nanodeeltjesgroottes zijn 6, 9, 14, 20 en 35 nm berekend door deze diffractiepiekwaarden (111, 200, 021, 202 en 311), en de kleinste nanodeeltjesgroottes zijn ongeveer 6 en 9 nm op basis van de diffractiepiekwaarden (111 en 200). De grote nanodeeltjesgroottes kunnen worden veroorzaakt door de aggregatie van nanodeeltjes. De kleinste waarden (6 en 9 nm) kunnen de werkelijke grootte van nanodeeltjes zijn, de grootte van enkele nanodeeltjes kan 6 nm zijn en de meeste nanodeeltjes kunnen ongeveer 9 nm zijn, wat meer overeenkomt met de beschrijving die door de fabrikant is verstrekt ( 10 nm) en de TEM-beelden (10 nm).

$$ {D}_{\mathrm{c}}=\frac{k\lambda}{\beta \cdot \cos \theta} $$ (1)

waar k is de waarde voor de vormfactor, en k = 0,9; λ is de röntgengolflengte; en β is de lijn die de volledige breedte verbreedt op half maximum (FWHM) van de piekhoogte in radialen, en θ is de Bragg-diffractiehoek.

Morfologie van nanodeeltjes. SEM-, TEM- en XRD-afbeeldingen van TiO₂ nanodeeltjes bij verschillende vergrotingstijden. een SEM × 20000. b SEM × 50000. c SEM × 100000. d TEM 20 nm. e TEM 50 nm. v TEM 100 nm. g XRD

TiO₂ -water nanovloeistof met verschillende nanodeeltjes massafracties (wt% = 0.1%, wt% = 0.3% en wt% = 0.5%) wordt bereid door de tweestapsmethode, die wordt getoond in Fig. 2. Mechanische roertijd is de helft een uur voor elk van de substappen, en de sonicatietijd is 40 minuten. Tabel 1 toont de informatie van sommige materialen en apparatuur bij de bereiding van nanovloeistoffen. Afbeelding 3 toont de TiO₂ -water nanovloeistof voor het leggen en na 72 uur. Het is te zien dat er weinig afzetting van nanodeeltjes in de reageerbuis is en de in dit artikel bereide nanovloeistof vertoont een goede stabiliteit.

Bereiding van nanovloeistoffen. Voorbereidingsprocedure van TiO₂ -water nanovloeistoffen door een tweestapsmethode

Stabiliteitswaarneming van TiO₂ -water nanovloeistof. TiO₂ -water nanovloeistof op verschillende tijdstippen. een Voor het leggen. b Na 72 uur

Naast het onderzoek of er sprake is van depositie van nanodeeltjes in de reageerbuis, zijn de effecten van transmissie (τ ) van nanovloeistof op zijn stabiliteit worden ook besproken. Figuur 4 geeft de transmissie (τ ) wijzigingen van TiO₂ -water nanovloeistof (wt% = 0.5%) met verschillende pH-waarden en doseringen (m ) dispergeermiddel. De transmissie wordt gemeten door een ultraviolette zichtbare spectrofotometer (UV-1800(PC)). Zoals we weten, zullen de nanodeeltjes, als ze zich uniform in het water verdelen, het meeste licht reflecteren en een hoge reflectie (een lage transmissie) hebben. Daarom is de stabiliteit van nanovloeistof omgekeerd evenredig met de doorlaatbaarheid en heeft de stabiele nanovloeistof een lage doorlaatbaarheid. Uit figuur 4 blijkt dat de nanovloeistof met m = 6 gew.% en pH = 8 heeft de laagste transmissie en heeft de beste stabiliteit. De nanovloeistoffen met verschillende nanodeeltjes massafracties in dit experiment worden bereid bij m = 6 gew.% en pH = 8, wat de stabiliteit van nanovloeistoffen kan garanderen.

Doorlaatbaarheid van TiO₂ -water nanovloeistof. Doorlaatbaarheid (τ ) wijzigingen van TiO₂ -water nanovloeistof (wt% = 0.5%) onder verschillende pH-waarden met tijden (h ) in verschillende doses (m ) dispergeermiddel. een m =-5 gew.%. b m =-6 gew.%. c m =-7 gew.%. d m = 8 gew%

Experimenteel systeem

Figuur 5 toont de schematische diagrammen van de drie experimentele sets. De afmetingen van de drie rechthoekige behuizingen zijn 10 cm (breedte) × 20 cm (hoogte), 5 cm (breedte) × 20 cm (hoogte) en 20 cm (breedte) × 20 cm (hoogte). De breedte en hoogte worden gedefinieerd als W en H , en de beeldverhouding (A ) van de behuizing wordt gedefinieerd als A = W /H . De linkerwand (koperen plaat) van de behuizing wordt verwarmd door een siliconen verwarmingsplaat die is aangesloten op een gelijkstroomvoeding. De rechterwand (koperen plaat) van de behuizing wordt gekoeld door het koelwater in een kleine holte (het materiaal is ook koper) verbonden met een waterbad met constante temperatuur. De temperaturen van twee zijden van de behuizing worden verkregen door zes thermokoppels die zijn aangesloten op een data-acquisitie-instrument (Agilent 34972A). De buitenste isolatielaag wordt gebruikt om warmteverlies te voorkomen.

Schematische diagrammen van experimentele sets. Schematische diagrammen van drie verschillende experimentele sets met beeldverhoudingen. een A = 1:2. b A = 1:4. c A = 1:1

De natuurlijke convectie warmteoverdrachtseigenschappen van de twee behuizingen met verschillende rotatiehoeken (α = −45°, α = 0°, α = 45°, en α = 90°) gevuld met TiO₂ -water nanovloeistof worden in dit artikel onderzocht. Voor de bijlage met α = −90°, de bovenwand is de hete wand en de onderwand is de koude wand, en de warmteoverdracht in de behuizing is voornamelijk warmtegeleiding. Het manuscript onderzoekt echter voornamelijk de natuurlijke convectiewarmteoverdracht van nanovloeistof in de behuizing, vandaar de behuizing met α = −90° wordt in dit manuscript niet beschouwd. Afbeelding 6 toont het schematische diagram van behuizingen met verschillende rotatiehoeken.

Schematisch diagram van rotatiehoeken. Schematisch diagram van de behuizingen met vier verschillende rotatiehoeken. een α = −45°. b α = 0°. c α = 45°. d α = 90°

Gegevensverwerking

De kracht Q geleverd door de siliconen verwarmingsplaat is als volgt:

$$ Q=\mathrm{U}\mathrm{I} $$ (2)

waar U en ik zijn respectievelijk de spanning en elektriciteit van de gelijkstroom.

Het effectieve vermogen Q _netto is als volgt:

$$ {Q}_{\mathrm{net}}=Q-{Q}_{\mathrm{loss}} $$ (3)

waar Q _verlies is het warmteverlies gemeten door een warmtestroommeter.

De temperatuur aan de kant van de koperen plaat naast de siliconen verwarmingsplaat $ {T}_{\mathrm{H}}^{*} $ is als volgt:

$$ {T}_{\mathrm{H}}^{*}=\frac{\left({T}_1+{T}_2+\cdot \cdot \cdot +{T}_6\right)}{6} $$ (4)

waar T ₁ , T ₂ , ..., T ₆ zijn de temperaturen van thermokoppels.

De temperatuur van de koperplaatzijde (linkerkant van de behuizing) naast nanofluid T _H is als volgt:

$$ {T}_{\mathrm{H}}={T_{\mathrm{H}}}^{*}-\frac{Q_{\mathrm{net}}\delta}{A{\lambda}_ {\mathrm{w}}} $$ (5)

waar δ = 0,005m is de dikte van de koperen plaat, A is de oppervlakte van de koperen plaat, λ _w is de thermische geleidbaarheid van de koperen plaat.

De temperatuur van de koperplaatzijde (rechterkant van de behuizing) naast de isolatielaag T _C ^∗ is als volgt:

$$ {T}_{\mathrm{C}}^{*}=\frac{\left({T}_7+{T}_8+\cdot \cdot \cdot +{T}_{12}\right)} {6} $$ (6)

waar T ₇ , T ₈ , ..., T ₁₂ zijn de temperaturen van thermokoppels aan de rechterkant van de behuizing.

Wanneer de thermische evenwichtstoestand is bereikt, is de temperatuur van het koelwater hetzelfde als de temperatuur van de koperplaatzijde naast het koelwater. De temperatuur van de koperen plaatzijde (rechterkant van de behuizing) naast nanofluid T _C kan als volgt worden berekend:

$$ {T}_{\mathrm{C}}={T_{\mathrm{C}}}^{\ast }-\frac{2{Q}_{\mathrm{net}}\delta}{A {\lambda}_w} $$ (7)

De kwalitatieve temperatuur T _m wordt als volgt gedefinieerd:

$$ {T}_{\mathrm{m}}=\frac{T_{\mathrm{H}}+{T}_{\mathrm{C}}}{2} $$ (8)

De convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt h is als volgt:

$$ h=\frac{Q_{\mathrm{net}}}{A\left({T}_{\mathrm{H}}\hbox{-} {T}_{\mathrm{C}}\right )} $$ (9)

Het Nusselt-nummer wordt als volgt gedefinieerd:

$$ \mathrm{Nu}=\frac{h\cdot W}{\lambda_{\mathrm{f}}} $$ (10)

waar λ _f is de thermische geleidbaarheid van de vloeistof in de behuizing.

Onzekerheidsanalyse

De foutoverdrachtsformule van de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt is als volgt [19]:

$$ \begin{array}{l}\frac{\varDelta h}{h}=\left|\frac{\partial \ln h}{\partial {Q}_{net}}\right|\varDelta { Q}_{{}_{net}}+\left|\frac{\partial \ln h}{\partial A}\right|\varDelta A+\left|\frac{\partial \ln h}{\partial \left({T}_{\mathrm{H}}-{T}_{\mathrm{C}}\right)}\right|\varDelta \left({T}_{\mathrm{H}}- {T}_{\mathrm{C}}\right)=\\ {}\frac{\varDelta {Q}_{net}}{Q_{net}}+\frac{\varDelta A}{A}+ \frac{\varDelta \left({T}_{\mathrm{H}}-{T}_{\mathrm{C}}\right)}{\left({T}_{\mathrm{H}} -{T}_{\mathrm{C}}\right)}\end{array} $$ (11)

De foutoverdrachtsformule van het Nusselt-getal is als volgt [19]:

$$ \begin{array}{l}\frac{\varDelta \mathrm{Nu}}{\mathrm{Nu}}=\left|\frac{\partial \mathrm{lnNu}}{\partial h}\right |\varDelta h+\left|\frac{\partial \mathrm{lnNu}}{\partial W}\right|\varDelta W+\left|\frac{\partial \mathrm{lnNu}}{\partial {\lambda} _{\mathrm{f}}}\right|\varDelta {\lambda}_{\mathrm{f}}=\\ {}\frac{\varDelta h}{h}+\frac{\varDelta W}{ W}+\frac{\varDelta {\lambda}_{\mathrm{f}}}{\lambda_{\mathrm{f}}}\end{array} $$ (12)

Op basis van de EQ's. (10) en (11), zijn de fouten van de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt en het Nusselt-getal respectievelijk 5,65 en 6,34% in dit experiment. Het kan worden vastgesteld dat de fouten van de experimentele sets klein zijn, wat de betrouwbaarheid en nauwkeurigheid van de experimentele resultaten kan garanderen.

Resultaten en discussies

Experimentvalidatie

Voorafgaand aan het onderzoek naar nanovloeistof is de validatie van het experiment noodzakelijk. Figuur 7 toont de vergelijking van Nusselt-getallen tussen de experimentele resultaten van water en de resultaten van gepubliceerde literatuur voor behuizingen met A = 1:2, A = 1:4, en A = 1:1. De maximale fouten voor bijlagen met A = 1:2, A = 1:4, en A =-1:1 zijn respectievelijk 8,4, 9,5 en 8,1%. Er kan worden vastgesteld dat de experimentele resultaten goed overeenkomen met de resultaten van gepubliceerde literatuur [20, 29], die de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van het experimentele systeem verifieert.

Validatie van experimentenset. Vergelijking van Nusselt-getallen tussen de experimentele resultaten en de gepubliceerde literatuur in bijlagen met twee verschillende aspectverhoudingen. een A = 1:2. b A = 1:4. c A = 1:1

Behuizing met A = 1:2

De effecten van rotatiehoeken op de natuurlijke convectiewarmteoverdrachtseigenschappen van TiO₂ -water nanovloeistof worden in dit artikel besproken. Figuur 8 geeft de veranderingen weer van de gemiddelde Nusselt-getallen met de rotatiehoeken van de behuizing met A = 1:2. Uit figuur 8 blijkt dat Nusselt-getallen eerst toenemen en daarna afnemen met de rotatiehoeken. De behuizing met draaihoek α = 0° heeft het hoogste Nusselt-getal gevolgd door de omhulling met draaihoeken α = 45° en α = 90°, de behuizing met draaihoek α = −45° heeft het laagste Nusseltgetal. Warmtegeleiding speelt een steeds grotere rol als de rotatiehoek kleiner wordt (α ≤ −90°), en de warmteoverdracht is bijna warmtegeleiding wanneer de rotatiehoek afneemt tot α = −90°. Wanneer de hete muur zich bovenaan en de koude muur onderaan de behuizing plaatst (α = −90°), de richting van het drijfvermogen is naar boven, maar de bovenwand verhindert dat de vloeistof omhoog beweegt. De beweging van nanovloeistof in de behuizing is klein en de belangrijkste warmteoverdracht is de warmtegeleiding, die een klein Nusselt-getal veroorzaakt. De behuizing met α = −45° is dichter bij de behuizing met α = −90° en toont het kleinste Nusselt-getal vergeleken met andere rotatiehoeken. Voor de behuizingen met draaihoeken α = 45° en α = 90°, de vloeistof nabij de onderste hete wand wordt verwarmd en beweegt naar boven en de vloeistof nabij de bovenste koude wand wordt afgekoeld en beweegt naar beneden. De richtingen van hete vloeistof en koude vloeistof zijn tegengesteld en voorkomen de natuurlijke convectie warmteoverdracht, die een lager Nusselt-getal veroorzaken in vergelijking met de behuizing met α = 0° maar een hoger Nusselt-getal vergeleken met de bijlage met α = −45°. Ook is te zien dat de verschillen tussen verschillende draaihoeken toenemen met het verwarmingsvermogen. Dit komt omdat de effecten van rotatiehoeken de hoofdrol spelen op warmteoverdracht bij een laag verwarmingsvermogen, en de effecten van convectie op warmteoverdracht klein zijn. De intensiteit van de convectieve warmteoverdracht neemt echter toe met het verwarmingsvermogen en speelt de hoofdrol bij de warmteoverdracht bij een hoog verwarmingsvermogen, waardoor de verschillen tussen de verschillende rotatiehoeken bij een hoog verwarmingsvermogen groter zijn dan bij een laag verwarmingsvermogen.

Wijzigingen van Nusselt-getallen met rotatiehoeken (A = 1:2). Gemiddelde Nusselt-getallen veranderen van nanovloeistof met rotatiehoeken van de behuizing (A = 1:2) bij verschillende verwarmingsvermogens. een V = 1 W. b V = 5 W. c V = 10 W. d V = 15 W. e V = 20 W

Naast de rotatiehoeken worden ook de effecten van de massafractie van nanodeeltjes op de natuurlijke convectiewarmteoverdracht besproken. Figuur 9 toont de veranderingen van de gemiddelde Nusselt-getallen met massafracties van nanodeeltjes. Er kan worden vastgesteld dat Nusselt-getallen toenemen met massafracties van nanodeeltjes. Voor verwarmingsvermogen Q = 1 W en α = 0°, TiO₂ -water nanovloeistof met wt% = 0.1%, wt% = 0.3% en wt% = 0.5% kan de warmteoverdracht met respectievelijk 9,3, 21,8 en 28,7% verbeteren in vergelijking met water. De versterkingsverhouding neemt af met het verwarmingsvermogen. Voor verwarmingsvermogen Q = 20 W en α = 0°, TiO₂ -water nanovloeistof met wt% = 0.1%, wt% = 0.3% en wt% = 0.5% kan de warmteoverdracht met respectievelijk 1,4, 4,6 en 6,6% verbeteren in vergelijking met water. De turbulentie-intensiteit speelt een grote rol bij een hoog verwarmingsvermogen en de effecten van de massafractie van nanodeeltjes op de warmteoverdracht worden klein.

Veranderingen van Nusselt-getallen met massafracties van nanodeeltjes (A = 1:2). Gemiddelde Nusselt-aantallen veranderingen van nanovloeistof in de behuizing (A = 1:2) met massafracties van nanodeeltjes bij verschillende verwarmingsvermogens. een V = 1 W. b V = 5 W. c V = 10 W. d V = 15 W. e V = 20 W

De effecten van verwarmingsvermogens op de natuurlijke convectiewarmteoverdracht worden in dit artikel bestudeerd. Figuur 10 toont de veranderingen van de gemiddelde Nusselt-getallen met verwarmingsvermogen. Voor α = 0°, TiO₂ -water nanovloeistof bij Q = 5 W, Q = 10 W, Q = 15 W, en Q = 20 W kan de warmteoverdracht verbeteren met 280,2, 428,4, 544,1 en 581,5% vergeleken met die bij Q = 1 W. Hoog verwarmingsvermogen verhoogt de turbulentie-intensiteit en verbetert de warmteoverdracht.

Wijzigingen van Nusselt-nummers met verwarmingsvermogen (A = 1:2). Gemiddelde Nusselt-aantallen veranderingen van nanovloeistof in de behuizing (A = 1:2) met verwarmingsvermogen bij verschillende draaihoeken. een α = −45°. b α = 0°. c α = 45°. d α = 90°

Behuizing met A = 1:4

Om de effecten van aspectverhoudingen van behuizingen op de warmteoverdracht te onderzoeken, zijn de natuurlijke convectiewarmteoverdrachtskarakteristieken van behuizingen met A = 1:4 gevuld met TiO₂ -water nanovloeistof worden bestudeerd. Figuur 11 geeft de veranderingen weer van de gemiddelde Nusselt-getallen met de rotatiehoeken van de behuizing. Het kan worden verkregen dat een vergelijkbare conclusie als A = 1:2 dat Nusselt-getallen eerst toenemen en daarna afnemen met de rotatiehoeken. Voor nanovloeistof met wt% = 0.5% voorbeeld, de verschillen tussen A = 1:4 en A = 1:2 zijn dat de verbeteringsverhoudingen (van 6,5 tot 20,7%) van het Nusselt-getal in de behuizing (A = 1:4, α = 0°) vergeleken met die in de behuizing (A = 1:4, α = −45°) zijn hoger dan de verbeteringsverhoudingen (van 2,85 tot 9,3%) van het Nusselt-getal in de behuizing (A = 1:2, α = 0°) vergeleken met die in de behuizing (A = 1:2, α = −45°).

Wijzigingen van Nusselt-getallen met rotatiehoeken (A = 1:4). Gemiddelde Nusselt-aantallen veranderingen van nanovloeistof met rotatiehoeken van de behuizing (A = 1:4) bij verschillende verwarmingsvermogens. een V = 1 W. b V = 5 W. c V = 10 W. d V = 15 W. e V = 20 W

Figuur 12 geeft de veranderingen weer van de gemiddelde Nusselt-getallen met massafracties van nanodeeltjes. Voor verwarmingsvermogen Q = 1 W en α = 0°, TiO₂ -water nanovloeistof met wt% = 0.1%, wt% = 0.3% en wt% = 0.5% kan de warmteoverdracht met respectievelijk 7,1, 20,2 en 29,5% verbeteren in vergelijking met water. De versterkingsverhouding neemt af met het verwarmingsvermogen. Voor verwarmingsvermogen Q = 20 W en α = 0°, TiO₂ -water nanovloeistof met wt% = 0.1%, wt% = 0.3% en wt% = 0.5% kan de warmteoverdracht met respectievelijk 2,9, 11,8 en 15,1% verbeteren in vergelijking met water.

Veranderingen van Nusselt-getallen met massafracties van nanodeeltjes (A = 1:4). Gemiddelde Nusselt-aantallen veranderingen van nanovloeistof in de behuizing (A = 1:4) met massafracties van nanodeeltjes bij verschillende verwarmingsvermogens. een V = 1 W. b V = 5 W. c V = 10 W. d V = 15 W. e V = 20 W

Figuur 13 toont de veranderingen van de gemiddelde Nusselt-getallen met verwarmingsvermogen. De gemiddelde Nusselt-aantallen nanovloeistof kunnen worden verhoogd met 242,4% ~ 701,5% vergeleken met water bij verwarmingsvermogen Q = 1 W. Voor α = 0°, TiO₂ -water nanovloeistof met gew% = 0,5% bij Q = 5 W, Q = 10 W, Q = 15 W, en Q = 20 W kan de warmteoverdracht verbeteren met 253,0, 419,9, 540,3 en 635,6% vergeleken met die bij Q = 1 W, respectievelijk.

Wijzigingen van Nusselt-nummers met verwarmingsvermogen (A = 1:4). Gemiddelde Nusselt-aantallen veranderingen van nanovloeistof in de behuizing (A = 1:4) met verwarmingsvermogen bij verschillende draaihoeken. een α = −45°. b α = 0°. c α = 45°. d α = 90°

Vergelijking tussen A = 1:2, A = 1:4, en A = 1:1

Vanwege de lengtebeperking van dit artikel, zijn de resultaten van bijlage met A = 1:1 wordt alleen gegeven in Fig. 14, en de effecten van verschillende rotatiehoeken, nanodeeltjes massafracties en verwarmingsvermogens op warmteoverdracht kunnen allemaal worden getoond in Fig. 14. Om de warmteoverdrachtskarakteristieken van behuizingen te vergelijken met A = 1:2, A = 1:4, en A = 1:1, Fig. 14 toont de vergelijking van gemiddelde Nusselt-getallen tussen A = 1:2, A = 1:4, en A = 1:1 bij verschillende rotatiehoeken. Het blijkt dat de Nusselt-getallen toenemen met de aspectverhouding van de behuizing. De Nusselt-nummers van behuizing (A = 1:1 en A = 1:2) kan worden verbeterd met 190,6% ~ 224,4% en 103,6% ~ 172,0% vergeleken met de Nusselt-nummers van behuizing (A =1:4) onder dezelfde omstandigheden, respectievelijk. Voor Q = 1 W en α = 0° voorbeeld, nanovloeistof met wt% = 0.5%, wt% = 0.3%, wt% = 0.1% en wt% = 0.0% in de behuizing met A = 1:2 kan de warmteoverdracht verbeteren met 120,4, 124,9, 126,5 en 121,9% vergeleken met die in de behuizing met A = 1:4. De versterkingsverhouding neemt af met het verwarmingsvermogen. vVoor Q = 20 W en α = 0°, nanovloeistof met wt% = 0.5%, wt% = 0.3%, wt% = 0.1% en wt% = 0.0% in de behuizing met A = 1:2 kan de warmteoverdracht verbeteren met 104,2, 106,5, 117,6, 120,7% vergeleken met die in de behuizing met A = 1:4. Ook is gevonden dat de toename van het Nusselt-getal van wt% = 0.1% tot wt% = 0.3% groter is dan die van wt% = 0.3% tot wt% = 0.5%. Dit komt omdat de toename van de thermische geleidbaarheid de hoofdrol speelt bij de warmteoverdracht van wt% = 0.1% naar wt% = 0.3%, wat een grote verbetering veroorzaakt. Maar de toename van de viscositeit begint de hoofdrol te spelen bij de warmteoverdracht van wt% = 0.3% naar wt% = 0.5%, wat een kleine verbetering veroorzaakt. Omdat Fig. 14 alle experimentele resultaten kan dekken, worden de gedetailleerde resultaten van Fig. 14 getoond in Tabellen 2, 3 en 4.

Nusselt getallen vergelijking tussen verschillende beeldverhoudingen. Comparison of average Nusselt numbers of nanofluid in different aspect ratios (A = 1:1, A = 1:2, and A = 1:4) and rotation angle enclosures at different heating powers. een Q = 1 W. b Q = 5 W. c Q = 10 W. d Q = 15 W. e Q = 20 W

Conclusions

The stability and natural convection heat transfer characteristics of the two enclosures with different rotation angles (α = −45°, α = 0°, α = 45°, and α = 90°) filled with TiO₂ -water nanofluid are experimentally investigated. Some conclusions are obtained as follows:

(1)
TiO₂ -water nanofluid with m = 6 wt% and pH = 8 has the lowest transmittance and has the best stability.
(2)
The enclosure with rotation angle α = 0° has the highest Nusselt number followed by the enclosure with rotation angles α = 45° and α = 90°; the enclosure with rotation angle α = −45° has the lowest Nusselt number.
(3)
There is a higher heat transfer performance in a bigger aspect ratio enclosure. The Nusselt numbers of enclosure (A = 1:1 and A = 1:2) can be enhanced by 190.6% ~ 224.4% and 103.6% ~ 172.0% compared with the Nusselt numbers of enclosure (A = 1:4) at the same conditions.
(4)
Nusselt numbers increase with nanoparticle mass fractions, but the enhancement ratio decreases with the heating power.
(5)
Average Nusselt numbers increase with the heating power. Average Nusselt numbers of nanofluid can be enhanced by 701.5% compared with water at the best.

Infraroodreflectieanalyse van epitaxiale n-type gedoteerde GaN-lagen gegroeid op saffier Dubbele niet-lineariteitsregeling van modus- en dispersie-eigenschappen in grafeen-diëlektrische plasmonische golfgeleider

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal