Experimenteel onderzoek naar de stromings- en warmteoverdrachtskenmerken van TiO2-water-nanovloeistoffen in een spiraalvormig gecanneleerde buis

Abstract

De stroom- en warmteoverdrachtseigenschappen van TiO₂ -water nanovloeistoffen met verschillende nanodeeltjes massafracties in een spiraalvormige gecanneleerde buis en een gladde buis worden experimenteel onderzocht bij verschillende Reynoldsgetallen. De effecten van pH-waarden en doses dispergeermiddel op de stabiliteit van TiO₂ -water nanovloeistoffen worden besproken. De effecten van nanodeeltjes massafracties en Reynolds-getallen op Nusselt-getallen en wrijvingsweerstandscoëfficiënten in de spiraalvormige gecanneleerde buis en de gladde buis worden ook onderzocht. Het is gebleken dat TiO₂ -water nanovloeistoffen in de spiraalvormige gecanneleerde buis hebben een grotere verbetering dan die in de gladde buis. De verbetering van de warmteoverdracht en de toename van de wrijvingsweerstandscoëfficiënten van TiO₂ -water nanovloeistoffen in de spiraalvormig gecanneleerde buis en de gladde buis voor laminaire stroming en turbulente stroming worden vergeleken. Er is gevonden dat er een grotere toename is in warmteoverdracht en een kleinere toename in wrijvingsweerstandscoëfficiënten voor turbulente stroming dan die voor laminaire stroming van TiO₂ -water nanovloeistoffen in de spiraalvormige gecanneleerde buis. De uitgebreide evaluaties voor de thermohydraulische prestaties van TiO₂ -water nanovloeistoffen in de gladde buis en spiraalvormig gecanneleerde buis worden ook besproken.

Achtergrond

Nanovloeistoffen zijn een soort mediumvloeistoffen met uitstekende warmteoverdrachtsprestaties (bijvoorbeeld ZnO-EG nanovloeistof [1], Cu-CTAC/NaSal nanovloeistof [2], MWCNTs-CTAC/NaSal nanovloeistof [3]), die op verschillende gebieden worden toegepast , zoals de opwekking van schoon water [4], fotothermische conversie door zonne-energie [5] en overdracht van kokende warmte [6].

Convectiewarmteoverdracht van nanovloeistoffen is een belangrijk warmteoverdrachtsproces, inclusief natuurlijke convectie en geforceerde convectiewarmteoverdracht. Veel onderzoekers hebben de natuurlijke convectiewarmteoverdracht van nanovloeistoffen onderzocht. Li et al. [7] heeft experimenteel de natuurlijke convectie onderzocht van een vierkante omhulling gevuld met ZnO-EG/DW-nanovloeistoffen en kwam tot de conclusie dat de hoge EG-concentratie in waterige oplossing nadelig is voor de verbetering van de warmteoverdracht. Hu et al. [8] experimenteel en numeriek onderzocht de natuurlijke convectie van Al₂ O₃ -water nanovloeistoffen in een vierkante behuizing, en het bleek dat nanovloeistoffen met de hoogste nanodeeltjesfractie de warmteoverdracht verslechteren. Hij et al. [9] numeriek de natuurlijke convectie van Al₂ . bestudeerd O₃ -water nanovloeistoffen in een vierkante omhulling door een rooster Boltzmann-methode, en de resultaten toonden aan dat de warmteoverdrachtsprestaties afnemen met de volumefractie van nanodeeltjes. Qi et al. numeriek de natuurlijke convectie van Cu-Gallium-nanovloeistoffen in behuizingen met verschillende aspectverhoudingen bestudeerd door een enkelfasig model [10] en een tweefasig rooster Boltzmann-model [11]; zij [12] bestudeerden ook de natuurlijke convectie van Al₂ O₃ -water nanovloeistoffen met behulp van een tweefasig rooster Boltzmann-model, en de resultaten toonden aan dat nanovloeistoffen in een behuizing met een kleinere aspectverhouding een hogere verbeteringsratio voor warmteoverdracht hebben. Concluderend wordt opgemerkt dat sommige factoren, zoals een hoog verwarmingsvermogen en nanodeeltjesfractie, gunstig zijn voor de verbetering van de warmteoverdracht, terwijl sommige andere factoren, zoals de grote aspectverhouding van de behuizing en de basisvloeistof met een lage thermische geleidbaarheid, kunnen leiden tot tot een vermindering van de natuurlijke convectiewarmteoverdracht. Hoewel natuurlijke convectie van nanovloeistoffen op veel gebieden op grote schaal wordt toegepast, kan het niet voldoen aan de hoge efficiënte warmteafvoer onder de voorwaarde van een hoge vermogensdichtheid.

In vergelijking met natuurlijke convectie heeft geforceerde convectie warmteoverdracht een hogere warmteoverdrachtscoëfficiënt. Onderzoekers hebben verschillende experimentele methoden gebruikt om de eigenschappen van geforceerde convectie warmteoverdracht van nanovloeistoffen te onderzoeken. Zon et al. [13, 14] experimenteel onderzoek gedaan naar de stromings- en warmteoverdrachtskarakteristieken van Cu-water, Al-water, Al₂ O₃ -water, Fe₂ O₃ -water en Cu-water nanovloeistoffen in een ingebouwde gedraaide riem met externe schroefdraadbuizen, en er werd vastgesteld dat Cu-water nanovloeistoffen de beste warmteoverdrachtsprestaties vertonen. Yang et al. [15] experimenteel onderzoek gedaan naar de stroom- en warmteoverdrachtseigenschappen van Cu-water en Cu-visco-elastische vloeistof nanovloeistoffen in een gladde buis, en de resultaten toonden aan dat Cu-visco-elastische vloeistof nanovloeistoffen een hogere warmteoverdracht prestatie hebben dan visco-elastische basisvloeistof maar een lagere stroom weerstand dan Cu-water nanovloeistoffen. Abdolbaqi et al. [16] heeft experimenteel de verbetering van de warmteoverdracht van TiO₂ . bestudeerd -BioGlycol/water nanovloeistoffen in platte buizen en een nieuwe correlatie vastgesteld tussen de verbetering van de warmteoverdracht en de wrijvingsfactor, en de resultaten toonden aan dat de warmteoverdrachtprestaties van nanovloeistoffen ongeveer 28,2% groter zijn dan die van de basisvloeistof. Naphon [17] bestudeerde experimenteel de warmteoverdrachtskarakteristieken van TiO₂ -water nanovloeistoffen in horizontale spiraalvormig opgerolde buizen, en er werd gevonden dat de warmteoverdrachtsprestaties van nanovloeistoffen toenemen met de afnemende kromming en de toenemende nanodeeltjesfractie. Shahrul et al. [18] en Kumar en Sonawane [19] hebben experimenteel de warmteoverdrachtskarakteristieken van drie soorten nanovloeistoffen onderzocht (Al₂ O₃ -water, SiO₂ -water en ZnO-water) en twee soorten nanovloeistoffen (Fe₂ O₃ -water en Fe₂ O₃ -EG) in een shell and tube warmtewisselaar, en er werd gevonden dat ZnO-water en Fe₂ O₃ -water nanovloeistoffen laten de beste prestaties op het gebied van warmteoverdracht zien in hun respectievelijke onderzoek. El Maghlany et al. [20] experimenteerde experimenteel de warmteoverdrachtskarakteristieken en drukval van Cu-water nanovloeistoffen in een horizontale warmtewisselaar met dubbele buizen, en de resultaten toonden aan dat de verbetering van de warmteoverdracht van nanovloeistoffen toeneemt met de nanodeeltjesfractie. Sundar et al. [21] heeft experimenteel de stromings- en warmteoverdrachtskarakteristieken van Fe₃ . bestudeerd O₄ -water nanovloeistoffen in een horizontale gladde buis met retourbocht en draadspoelinzetstukken, en de resultaten toonden aan dat de warmteoverdrachtsprestaties toenemen met de toenemende nanodeeltjesfractie en afnemende p/d-verhouding van draadspoelinzetstukken. Bovenstaande onderzoeken waren voornamelijk gericht op de warmteoverdrachtsprestaties van nanovloeistoffen in de gladde buis, platte buis, spiraalvormig opgerolde buis of buis met draadspoelinzetstukken.

Naast bovenstaande experimentele studies worden ook de eigenschappen van geforceerde convectie warmteoverdracht van nanovloeistoffen in spiraalvormige gegolfde buizen onderzocht. Darzi et al. [22, 23] experimenteel en numeriek bestudeerde de turbulente warmteoverdracht van Al₂ O₃ -water nanovloeistoffen in een spiraalvormige gegolfde buis, en de resultaten toonden aan dat een betere warmteoverdrachtsprestatie wordt verkregen dan die in een gewone buis. Darzi et al. [24] experimenteel onderzoek gedaan naar de turbulente warmteoverdrachtskarakteristieken van SiO₂ -water nanovloeistoffen in spiraalvormige gegolfde buizen en bespraken de effecten van vijf ribbels op de warmteoverdracht van gegolfde buizen, en de resultaten toonden aan dat de kleine ribbels de prestaties van de warmteoverdracht aanzienlijk kunnen verbeteren. Park et al. [25] bestudeerde de warmteoverdracht van thermochrome vloeibare kristallen in een spiraalvormig gecanneleerde buis, en de resultaten toonden aan dat de warmteoverdrachtsverhouding tussen de spiraalvormig gegroefde buis en de gladde buis bij het lage Reynoldsgetal (30.000) hoger is dan die bij hoge Reynolds-getallen (50.000 en 70.000). Bovenstaande onderzoeken hebben voornamelijk de warmteoverdracht en stromingskarakteristieken van nanovloeistoffen in spiraalvormige gegolfde buizen onderzocht. De uitgebreide analyse voor de thermohydraulische prestaties van nanovloeistoffen in de gladde buis en spiraalvormige gecanneleerde buis moet echter verder worden besproken.

Bovenstaande studies hebben een grote bijdrage geleverd aan de stroom- en warmteoverdrachtskarakteristieken in de gladde buis, gladde buis met draadspiraalinzetstukken, warmtewisselaar, spiraalvormige gegolfde buis, enzovoort. De belangrijkste nieuwigheid van dit manuscript omvat voornamelijk het volgende:(1) een nieuwe methode voor het testen van de stabiliteit van nanovloeistoffen (transmissiemethode) wordt vastgesteld door een ultraviolette spectrofotometer, die verschilt van de precipitatiemethode die algemeen wordt toegepast door de gepubliceerde referenties. De resultaten van de transmissiemethode zijn kwantificeerbaar, terwijl de resultaten van de neerslagmethode minder kwantificeerbaar zijn; en (2) de uitgebreide evaluaties voor de thermohydraulische prestaties van TiO₂ -water nanovloeistoffen in de gladde buis en spiraalvormige gecanneleerde buis worden besproken, die minder worden onderzocht. Een interessante opmerking is dat nanovloeistoffen met het hoogste Reynolds-getal mogelijk niet de beste thermohydraulische prestaties hebben in de spiraalvormige gecanneleerde buis en dat er een kritisch Reynolds-getal is voor de beste thermohydraulische prestaties.

Methoden

Nanofluïde voorbereiding en stabiliteitsonderzoek

TiO₂ wordt gekozen als het nanodeeltje en water wordt gekozen als de basisvloeistof. Figuur 1 toont de TiO₂ nanodeeltjes. TiO₂ -water nanovloeistoffen in het experiment worden bereid door een tweestapsmethode, en Fig. 2 presenteert de details van het bereidingsproces. Voor elk van de substappen is de mechanische roertijd een half uur en de sonicatietijd is 40 min. De massafractie van het dispergeermiddel in het water is 6 gew.% en de pH-waarde van nanovloeistof is 8. Tabel 1 geeft de informatie weer van sommige materialen in het bereidingsproces van nanovloeistoffen. Uit figuur 1 blijkt dat de nanodeeltjes gemakkelijk samenklonteren. Daarom wordt de stabiliteit van nanovloeistoffen onderzocht met behulp van de precipitatiemethode die algemeen wordt toegepast door de gepubliceerde referenties. De stabiliteit van TiO₂ -water nanovloeistoffen met verschillende massafracties (0,1, 0,3 en 0,5 gew.%) op verschillende rusttijden wordt bestudeerd in figuur 3, waaruit blijkt dat de stabiliteit van nanovloeistoffen 72 uur later nog steeds goed is.

Morfologie van TiO₂ nanodeeltjes. TEM-afbeeldingen van TiO₂ nanodeeltjes:a 20 nm, b 50 nm en c 100 nm

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

Stabiliteitsobservatie van nanovloeistoffen. TiO₂ -water nanovloeistoffen op verschillende rustige tijden:a t = 0 u, b t = 48 h, en c t = 72 u

Om de stabiliteit van nanovloeistoffen verder te controleren, wordt in dit artikel een nieuwe methode voor het testen van de stabiliteit van nanovloeistoffen (transmissiemethode) vastgesteld door een ultraviolette spectrofotometer. Afbeelding 4 toont de transmissie (τ ) wijzigingen van TiO₂ -water nanovloeistoffen (ω = 0,3%) met de rusttijd. De effecten van verschillende doses (M ) van dispergeermiddel en verschillende pH-waarden op de stabiliteit van nanovloeistoffen worden onderzocht. Zoals we weten, zullen nanovloeistoffen, als nanodeeltjes zich uniform in het water verdelen, het meeste licht reflecteren, wat resulteert in nanovloeistoffen met een hoge reflectie en een lage transmissie. Uit figuur 4 blijkt dat nanovloeistoffen (ω = 0,3%) met M = 6 wt% en pH = 8 hebben de laagste transmissie. Nanovloeistoffen met andere massafracties (ω = 0,1% en ω = 0,5%) worden allemaal bereid bij M = 6 wt% en pH = 8 in dit artikel, en de transmissieveranderingstrends van nanovloeistoffen met ω = 0,1% en ω = 0,5% is hetzelfde met de nanovloeistoffen met ω = 0,3%. Daarom kan de goede stabiliteit van nanovloeistoffen die in dit document zijn bereid, worden gegarandeerd. Bovendien wordt na onderzoek naar de effecten van dispergeermiddel en pH op de thermische geleidbaarheid en viscositeit van water, een kleine invloed op hen gevonden vanwege het geringe dispergeermiddel en NaOH.

Doorlaatbaarheid (τ ) van nanovloeistof (ω =0,3%). Doorlaatbaarheid verandert met een rusttijd van TiO₂ -water nanovloeistof (ω = 0,3%) met verschillende doses (M ) dispergeermiddel:a M = 5 wt%, b M = 6 wt%, c M = 7 wt%, en d M = 8 wt%

Figuur 5 toont de thermische geleidbaarheid en dynamische viscositeiten van TiO₂ -water nanovloeistoffen bij verschillende temperaturen en afschuifsnelheden. Het blijkt dat de thermische geleidbaarheid van water in dit artikel goed overeenkomt met Maxwell [26]. Er kan worden vastgesteld dat de thermische geleidbaarheid toeneemt met de massafractie van nanodeeltjes en dat de thermische geleidbaarheid van nanovloeistoffen met 0,17-1,6% toeneemt in vergelijking met water vanwege de hoge thermische geleidbaarheid van nanodeeltjes. Ook is gevonden dat de thermische geleidbaarheid toeneemt met de temperatuur, omdat een hoge temperatuur de Brownse beweging van nanodeeltjes verbetert en de thermische geleidbaarheid van nanovloeistoffen verbetert. Naast de conclusies van thermische geleidbaarheid, kan worden vastgesteld dat de dynamische viscositeit toeneemt met de afschuifsnelheid in de beginfase en constant blijft met de toenemende afschuifsnelheid en dat de viscositeit van nanovloeistoffen met 2,5-13,6% toeneemt in vergelijking met water. Het is omdat een kleine schuifkracht die in de beginfase in de nanovloeistoffen wordt toegevoegd, het evenwicht van het stromingsveld verbreekt en een toename van de dynamische viscositeit veroorzaakt (afschuifverdikkingsgedrag). De dynamische viscositeit is constant wanneer het stromingsveld weer een stabiele toestand bereikt, wat een goede overeenkomst heeft met de kenmerken van Newtoniaanse vloeistof.

Thermische geleidbaarheid en dynamische viscositeiten. Thermische geleidbaarheid en dynamische viscositeiten van TiO₂ -water nanovloeistoffen bij verschillende temperaturen en afschuifsnelheden. een Thermische geleidbaarheid b Dynamische viscositeit

Experimenteel systeem

Een experimenteel systeem voor de stromings- en warmteoverdrachtskarakteristieken van TiO₂ -water nanovloeistoffen in een spiraalvormige gecanneleerde buis is gevestigd. Figuur 6 geeft het schematische diagram van het experimentele systeem weer. Het experimentele systeem omvat voornamelijk het testgedeelte voor warmteoverdracht, het testgedeelte voor de stromingsweerstand, de gootsteen voor de temperatuurregeling en de pomp. De spiraalvormig gecanneleerde buis wordt verwarmd door een weerstandsdraad die is aangesloten op een gelijkstroomvoeding. De buitenwandtemperatuur van de spiraalvormig geribbelde buis wordt verkregen door tien T-type thermokoppels die gelijkmatig zijn verdeeld in het oppervlak van de spiraalvormig gegroefde buis. Uitlaattemperatuur en inlaattemperatuur van nanovloeistoffen van de spiraalvormig gecanneleerde buis worden gemeten door twee K-type thermokoppels. Alle thermokoppels zijn aangesloten op een data-acquisitie-instrument (Agilent 34972A). De stromingsweerstand wordt gemeten door een verschildrukinstrument.

Experimenteel systeem. Schematisch diagram van experimenteel systeem

Het gedetailleerde diagram van de spiraalvormige gecanneleerde buis wordt getoond in Fig. 7. Voor de gladde buis en de spiraalvormige gecanneleerde buis zijn de materialen allemaal van roestvrij staal, de equivalente diameters zijn hetzelfde, de lengtes zijn allemaal 1200 mm, de testsecties zijn allemaal het middelste gedeelte 1000 mm van de buis en 100 mm gedeelte blijft aan elk uiteinde van de buis over om het ingangseffect te voorkomen.

Spiraal gecanneleerde buis. Gedetailleerd diagram van de spiraalvormige gecanneleerde buis

Berekeningsvergelijkingen

Het verwarmingsvermogen wordt geleverd door een gelijkstroom:

$$ {Q}_{\begin{array}{l}0\\ {}\end{array}}=UI $$ (1)

waarbij $ {Q}_{\begin{array}{l}0\\ {}\end{array}} $ het verwarmingsvermogen is, U is de spanning, en I is de elektrische stroom.

De door vloeistof geabsorbeerde warmte wordt als volgt berekend:

$$ {Q}_{\mathrm{f}}={c}_{\mathrm{p}}{q}_{\mathrm{m}}\left({T}_{\mathrm{out}} -{T}_{\mathrm{in}}\right) $$ (2)

waar Q _f is de warmte die wordt geabsorbeerd door vloeistof, c _p is de soortelijke warmte van vloeistof, q _m is de massastroomsnelheid, en T _uit en T _in zijn de uitlaattemperatuur en inlaattemperatuur van vloeistof.

De warmtecapaciteit wordt als volgt weergegeven:

$$ {c}_{\mathrm{p}}=\frac{\left(1-\varphi \right){\left(\rho {c}_{\mathrm{p}}\right)}_{ \mathrm{bf}}+\varphi {\left(\rho {c}_{\mathrm{p}}\right)}_{\mathrm{p}}}{\left(1-\varphi \right) {\rho}_{\mathrm{bf}}+{\varphi \rho}_{\mathrm{p}}} $$ (3)

waar c _p is de warmtecapaciteit van nanovloeistoffen, φ is de volumefractie van nanodeeltjes, het subscript "bf" staat voor de basisvloeistof en het subscript "p" staat voor de nanodeeltjes.

De gemiddelde temperatuur van vloeistof wordt als volgt berekend:

$$ T\mathrm{f}=\left(T\mathrm{out}+T\mathrm{in}\right)/2 $$ (4)

waar T _f is de gemiddelde temperatuur van vloeistof in de buis.

De gemiddelde buitenwandtemperatuur van de buis wordt als volgt weergegeven:

$$ {T}_{\mathrm{ow}}=\left[\sum_{i=1}^{10}T\mathrm{w}(i)\right]/10 $$ (5)

waar T _ow is de gemiddelde temperatuur van de buitenwand van de buis, T w(ik ) is de temperatuur van thermokoppels die aan de buitenwand van de buis zijn bevestigd, en er zijn tien thermokoppels die uniform aan de buitenwand van de buis zijn bevestigd.

De gemiddelde binnenwandtemperatuur van de buis kan als volgt worden berekend:

$$ {T}_{\mathrm{iw}}={T}_{\mathrm{ow}}-\frac{Q_{\mathrm{f}}\ln \left(r\mathrm{o}/ ri \right)}{2\pi \lambda l},\left(i=1,2,3\dots 10\right) $$ (6)

waar T _iw is de gemiddelde binnenwandtemperatuur van de buis, r o en ri zijn de externe straal en de interne straal van de buis, λ is de thermische geleidbaarheid van de buis, en l is de lengte van de buis.

De convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt wordt als volgt berekend:

$$ {h}_{\mathrm{f}}=\frac{Q_{\mathrm{f}}}{\pi {d}_{\mathrm{e}}l\left({T}_{\ mathrm{iw}}-{T}_{\mathrm{f}}\right)} $$ (7)

waar h _f is de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt en d _e is de equivalente diameter van de buis.

Het Nusseltgetal wordt als volgt berekend:

$$ Nu=\frac{h_{\mathrm{f}}{d}_e}{\lambda_{\mathrm{f}}} $$ (8)

waar Nu is het Nusselt-nummer en λ _f is de thermische geleidbaarheid van vloeistof in de buis gemeten door een meetinstrument voor thermische geleidbaarheid.

Het Reynolds-nummer wordt als volgt weergegeven:

$$ \mathit{\operatorname{Re}}=\rho {ud}_e/{\mu}_{\mathrm{f}} $$ (9)

waarbij Re het Reynoldsgetal is, ρ is de dichtheid van vloeistof, u is de snelheid van vloeistof, en μ _f is de dynamische viscositeit van vloeistof gemeten door een superrotatiereometer.

De dichtheid van nanovloeistoffen wordt als volgt weergegeven:

$$ \rho =\left(1-\varphi \right){\rho}_{\mathrm{bf}}+{\varphi \rho}_{\mathrm{p}} $$ (10)

waar ρ is de dichtheid van de nanovloeistoffen, φ is de volumefractie van de nanodeeltjes, ρ _vriend is de dichtheid van water, en ρ _p is de dichtheid van de nanodeeltjes.

Wrijvingsweerstandscoëfficiënt van vloeistof wordt als volgt weergegeven:

$$ f=\frac{2d\mathrm{e}}{\rho {u}^2}\cdot \frac{\varDelta p}{\varDelta l} $$ (11)

waar f is de wrijvingsweerstandscoëfficiënt en $ \frac{\varDelta p}{\varDelta l} $ is de drukval per lengte-eenheid.

De vergelijking van de uitgebreide evaluatie tussen warmteoverdracht en stromingsweerstand wordt als volgt weergegeven [27]:

$$ \varsigma =\left(\frac{Nu}{Nu_{\left(\mathrm{bf}+\mathrm{smooth}\ \mathrm{tube}\right)}}\right)/{\left(\ frac{f}{f_{\left(\mathrm{bf}+\mathrm{smooth}\ \mathrm{tube}\right)}}\right)}^{\frac{1}{3}} $$ ( 12)

waar ς is de uitgebreide evaluatie-index.

Onzekerheidsanalyse

Experimentele fouten worden veroorzaakt door de nauwkeurigheid van de apparatuur in het experimentele systeem. De bijbehorende foutvergelijkingen worden als volgt weergegeven:

$$ \frac{\delta Nu}{Nu}=\sqrt{{\left(\frac{\delta {Q}_{\boldsymbol{f}}}{Q_{\boldsymbol{f}}}\right) }^2+{\left(\frac{\delta T}{T}\right)}^2} $$ (13) $$ \frac{\delta f}{f}=\sqrt{{\left( \frac{\delta p}{p}\right)}^2+{\left(\frac{\delta l}{l}\right)}^2+{\left(\frac{\delta q\mathrm {m}}{q\mathrm{m}}\right)}^2} $$ (14)

waar de nauwkeurigheid van gelijkstroom ± 5,0% is, is de nauwkeurigheid van het thermokoppel ± 0,1%, en de fout van het Nusselt-getal kan worden verkregen uit Vgl. (13) en is ongeveer ± 5,0%. De nauwkeurigheid van de drukomvormer is ± 0,5%, de nauwkeurigheid van de lengte is ± 0,1%, de nauwkeurigheid van de massastroom is ± 1,06% en de fout van de wrijvingsweerstandscoëfficiënt kan worden verkregen uit Vgl. (14) en is ongeveer ± 1.29%.

Resultaten en discussies

Experimentele systeemvalidatie

Voorafgaand aan het experimentele onderzoek naar nanovloeistoffen is de experimentele systeemvalidatie noodzakelijk. Als warmtedragend medium wordt water gekozen. Nusselt-getallen en wrijvingsweerstandscoëfficiënten tussen de experimentele resultaten van dit artikel en de resultaten van gepubliceerde literatuur worden getoond in Fig. 8 en 9. Het kan worden gevonden in Fig. 8 en 9 dat Nusselt-getallen en wrijvingsweerstandscoëfficiënten bij verschillende Reynolds-getallen een goede overeenkomst hebben met de resultaten van respectievelijk de gepubliceerde literatuur [28, 29] en [30, 31]. De maximale fouten voor Nusselt-getallen en wrijvingsweerstandscoëfficiënten bij laminaire stroming en turbulente stroming zijn respectievelijk ongeveer 3,5, 2,8, 2,1 en 2,1%, die de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van het experimentele systeem verifiëren. Ook is gevonden dat de resultaten van Dittus-Boelter in Fig. 8b hoger zijn dan de werkelijke resultaten onder de overgangsstroom omdat de empirische formule alleen kan worden toegepast op de sterke turbulentiezone, wat overeenkomt met de resultaten van de literatuur [28] . Het bewijst de geldigheid van de resultaten in dit document verder.

Validatie van warmteoverdrachtskenmerken. Vergelijking van Nusselt-getallen tussen de experimentele resultaten en de resultaten van literatuur. een Laminaire stroom b Turbulente stroom

Validatie van stroomkenmerken. Vergelijking van wrijvingsweerstandscoëfficiënten tussen de experimentele resultaten en de resultaten van de literatuur. een Laminaire stroom b Turbulente stroom

Experimentele resultaten en discussies

De stroom- en warmteoverdrachtseigenschappen van TiO₂ -water nanovloeistoffen in de gladde buis worden onderzocht. Figuur 10 toont de Nusselt-getallen van de gladde buis gevuld met nanovloeistoffen bij verschillende Reynolds-getallen. Voor laminaire stroming en turbulente stroming neemt het Nusselt-getal toe met het Reynolds-getal en de massafractie van nanodeeltjes. De turbulentie van vloeistof neemt toe met het Reynoldsgetal, wat de laminaire grenslaag verkleint en de warmteoverdracht verbetert. Door meer nanodeeltjes aan de basisvloeistof toe te voegen, neemt de totale thermische geleidbaarheid toe, wat ook de warmteoverdracht verbetert. Bovendien wordt gesuggereerd [32, 33] dat andere factoren, waaronder de toename van de Brownse beweging van nanodeeltjes, vermindering van de contacthoeken, niet-uniforme afschuifsnelheid, deeltjesvorm en aggregatie, ook een grote invloed hebben op de verbetering van de warmteoverdracht. In het eerder gepubliceerde artikel [11] werden de effecten van Brownse kracht en deeltjesgrootte op de verbetering van de warmteoverdracht besproken. Er werd gevonden dat de Brownse kracht de grootste kracht is van de interactiekrachten tussen nanodeeltjes, wat voordelig is voor de verbetering van de warmteoverdracht, en de kleine deeltjesgrootte is ook voordelig voor de verbetering van de warmteoverdracht. Uit Fig. 10a blijkt dat de verbeteringsratio van de warmteoverdracht van water tot ω = 0.1 wt% nanovloeistoffen toont de grootste, maar de warmteoverdrachtsversterkingsverhouding van nanovloeistoffen van ω = 0.1 wt% tot ω = 0,3 wt% begint af te nemen, en de verbeteringsratio van de warmteoverdracht van nanovloeistoffen van ω = 0.3 wt% tot ω = 0,5 wt% is getuige van de kleinste. Zoals figuur 5 laat zien, nemen de thermische geleidbaarheid en viscositeit van nanovloeistoffen toe met respectievelijk 0,17-1,6% en 2,5-13,6% in vergelijking met water. Voor de laminaire stroming zijn de effecten van viscositeit op warmteoverdracht klein vanwege de lage snelheid en weinig nanodeeltjes, en dan speelt de thermische geleidbaarheid een grote rol van water naar ω = 0.1 wt% nanovloeistoffen. Met een toename van de nanodeeltjesfractie vertoont het echter een meer dramatische toename van de viscositeit in vergelijking met de toename van de thermische geleidbaarheid, waardoor de verbeteringsratio voor warmteoverdracht afneemt. Voor de turbulente stroming is gevonden dat de warmteoverdrachtsverbeteringen van nanovloeistoffen met verschillende nanodeeltjesmassafracties dichtbij zijn. Dit komt omdat de turbulentie een belangrijke rol speelt bij de verbetering van de warmteoverdracht en het effect van de massafractie van nanodeeltjes klein wordt. Ook kan worden gevonden dat nanovloeistoffen een grotere warmteoverdrachtsverhouding vertonen in laminaire stroming in vergelijking met die in turbulente stroming. De massafractie van nanodeeltjes speelt een belangrijke rol bij de verbetering van de warmteoverdracht in laminaire stroming, en het vertoont een grote verbetering van de warmteoverdracht met de toenemende massafractie van nanodeeltjes. Het effect van de massafractie van nanodeeltjes op de verbetering van de warmteoverdracht wordt echter klein in turbulente stroming en de turbulentie-intensiteit speelt een belangrijke rol; daarom vertoont het een kleinere verbeteringsverhouding van de warmteoverdracht met de toenemende nanodeeltjesmassafractie in turbulente stroming in vergelijking met die in laminaire stroming.

Nusselt-nummers in de gladde buis. Nusselt-getallen van de gladde buis gevuld met nanovloeistoffen bij verschillende Reynolds-getallen. een Laminaire stroom b Turbulente stroom

Gebaseerd op de gegevens van Fig. 10, toont Fig. 11 de Nusselt-getalverhoudingen van nanovloeistoffen tot het water in de gladde buis. Het kan worden gevonden dat TiO₂ -water nanovloeistoffen met ω = 0.5 wt%, ω = 0.3 wt%, en ω = 0.1 wt% verbetert de warmteoverdracht met respectievelijk 11,2, 7,4 en 4,5% voor laminaire stroming en 16,1, 13,9 en 11,9% voor turbulente stroming in vergelijking met water in de gladde buis.

Nusselt getalverhoudingen in de gladde buis. Nusselt-getalverhoudingen tussen nanovloeistoffen en basisvloeistof in de gladde buis

Naast het onderzoek naar de warmteoverdrachtseigenschappen van TiO₂ -water nanovloeistoffen in de gladde buis, ook de stromingskarakteristieken worden onderzocht. Figuur 12 toont de wrijvingsweerstandscoëfficiënten en drukval van de gladde buis gevuld met nanovloeistoffen. Uit figuur 12 blijkt dat de wrijvingsweerstandscoëfficiënt afneemt met het Reynolds-getal, omdat het toenemende Reynolds-getal de snelheidstoename veroorzaakt, die omgekeerd evenredig is met de wrijvingsweerstandscoëfficiënt volgens de vergelijkingen. (9) en (11). Het blijkt dat de drukval afneemt met de wrijvingsweerstandscoëfficiënt omdat de drukval evenredig is met het Reynoldsgetal, maar de wrijvingsweerstandscoëfficiënt omgekeerd evenredig is met het Reynoldsgetal. De drukval is dus omgekeerd evenredig met de wrijvingsweerstandscoëfficiënt. Ook kan uit Fig. 12 worden gevonden dat de wrijvingsweerstandscoëfficiënt toeneemt met de massafractie van nanodeeltjes, maar de toename is klein tussen verschillende massafracties van nanodeeltjes. Voor TiO₂ -water nanovloeistoffen met ω = 0.5 wt%, ω = 0.3 wt%, en ω = 0.1 wt% in de gladde buis, een maximale verbetering van 7,9, 5,2 en 3,0% bij laminaire stroming en 2,5, 1,5 en 0,6% bij turbulente stroming treedt op in de wrijvingsweerstandscoëfficiënten in vergelijking met water in de gladde buis, respectievelijk. Het toevoegen van nanodeeltjes aan water veroorzaakt een toename van de viscositeit die evenredig is met de wrijvingsweerstandscoëfficiënt. However, the frictional resistance is mainly caused by the screw structure of the spirally fluted tube, and the effect of nanoparticles on the frictional resistance is much smaller than that of the screw structure, which causes a small difference between different nanoparticle mass fractions.

Frictional resistance coefficients and pressure drop in the smooth tube. Frictional resistance coefficients and pressure drop of the smooth tube filled with nanofluids. Frictional resistance coefficients:a laminar flow and b turbulent flow; pressure drop:c laminar flow and d turbulent flow

Above studies are on smooth tube, and the flow and heat transfer characteristics of water and TiO₂ -water nanofluids in the spirally fluted tube will be investigated in the following text. Figure 13 presents the Nusselt numbers of the spirally fluted tube filled with TiO₂ -water nanofluids at different Reynolds numbers. It obtains a similar conclusion in the spirally fluted tube (Fig. 13) similar to that in the smooth tube (Fig. 10). It is found that the Nusselt number increases with the Reynolds number and nanoparticle mass fraction. The differences between the spirally fluted tube and smooth tube are that there is a larger heat transfer enhancement in the spirally fluted tube than that in the smooth tube, which is due to the screw structure of the spirally fluted tube.

Nusselt numbers in the spirally fluted tube. Nusselt numbers of the spirally fluted tube filled with nanofluids at different Reynolds numbers. een Laminar flow b Turbulent flow

Based on the data of Fig. 13, Fig. 14 shows the Nusselt number ratios of nanofluids to the water in the spirally fluted tube. Figure 14 shows that TiO₂ -water nanofluids with ω = 0.5 wt%, ω = 0.3 wt%, and ω = 0.1 wt% can enhance the heat transfer by 14.7, 12.6, and 11.3% for laminar flow and 42.8, 35.4, and 24.6% for turbulent flow at best compared with water in the spirally fluted tube, respectively. There is a larger increase in heat transfer for turbulent flow than that for laminar flow.

Nusselt number ratios in the spirally fluted tube. Nusselt number ratios between nanofluids and base fluid in the spirally fluted tube

The flow characteristics of TiO₂ -water nanofluids in the spirally fluted tube are also studied. Figure 15 presents the frictional resistance coefficients and pressure drop of the spirally fluted tube filled with nanofluids, which shows that the frictional resistance coefficient decreases with the Reynolds number and increases with the nanoparticle mass fraction, and the pressure drop decreases with the frictional resistance coefficient. The reasons are similar to that in the smooth tube (Fig. 12c, d). TiO₂ -water nanofluids with ω = 0.5 wt%, ω = 0.3 wt%, and ω = 0.1 wt% can enhance the frictional resistance coefficients by 20.2, 16.5, and 12.5% for laminar flow and 10.5, 7.7, and 2.0% for turbulent flow at best compared with water in the spirally fluted tube, respectively. There is a smaller increase in frictional resistance coefficients for turbulent flow than that for laminar flow.

Frictional resistance coefficients and pressure drop in the spirally fluted tube. Frictional resistance coefficients of the spirally fluted tube filled with nanofluids. Frictional resistance coefficients:a laminar flow and b turbulent flow; pressure drop:c laminar flow and d turbulent flow

The heat transfer characteristics of TiO₂ -water nanofluids in the smooth tube and spirally fluted tube are investigated in this paper separately. Figure 16 shows the comparison of Nusselt numbers between the smooth tube and the spirally fluted tube filled with nanofluids at different Reynolds numbers. It can be found that TiO₂ -water nanofluids with ω = 0.5 wt%, ω = 0.3 wt%, and ω = 0.1 wt% in the spirally fluted tube can enhance the heat transfer by 257.9, 245.1, and 240.7% at best compared with TiO₂ -water nanofluids in the smooth tube, respectively. Also, TiO₂ -water nanofluids with ω = 0.5 wt%, ω = 0.3 wt%, and ω = 0.1 wt% in the spirally fluted tube can enhance the heat transfer by 291.3, 268.8, and 253.1% at best compared with water in the smooth tube, respectively. TiO₂ -water nanofluids in the spirally fluted tube have a larger enhancement than that in the smooth tube.

Comparison of Nusselt numbers in two tubes. Comparison of Nusselt numbers between the smooth tube and spirally fluted tube filled with nanofluids at different Reynolds numbers

In order to synthetically analyze the thermo-hydraulic performance of TiO₂ -water nanofluids in the smooth tube and spirally fluted tube, Fig. 17 presents the comprehensive analysis of nanofluids in the smooth tube and the spirally fluted tube based on the Eq. (12). It can be found that the highest comprehensive evaluation index ξ for spirally fluted tube is about at Re = 2300 which is the critical Reynolds number between laminar flow and turbulent flow. The increases of the Nusselt number and frictional resistance coefficients are mainly due to the nanoparticles, the Reynolds number, and the screw structure of spirally fluted tube. For spirally fluted tube, due to the screw structure, the increase of the Nusselt number is larger than the increase of frictional resistance coefficients at small Reynolds number (Re ≤ 2300); conversely, the increase of the Nusselt number is smaller than the increase of frictional resistance coefficients at big Reynolds number (Re > 2300). Also, the comprehensive evaluation index ξ for the smooth tube increases with the Reynolds number. The increase of the Nusselt number is always larger than the increase of frictional resistance coefficients because the smooth tube has no screw structure. The conclusions of Fig. 17 are very important for the choices of tubes and Reynolds numbers in the heat-exchange equipment considering the comprehensive evaluation of the thermo-hydraulic performance. For the smooth tube, the higher Reynolds number can be chosen due to the factor that the thermo-hydraulic index always increases with the Reynolds number. While for the spirally fluted tube, the appropriate Reynolds number for the highest thermo-hydraulic index is about 2300.

Comprehensive analysis of the two tubes. Comprehensive analysis of nanofluids in the smooth tube and the spirally fluted tube

Conclusies

The flow and heat transfer characteristics of TiO₂ -water nanofluids in a spirally fluted tube are experimentally studied. Some conclusions are obtained as follows:

(1)
TiO₂ -water nanofluids with different nanoparticle mass fractions are prepared, and TiO₂ -water nanofluids with M = 6 wt% and pH = 8 have the lowest transmittance and show the best stability.
(2)
Voor TiO₂ -water nanofluids in the spirally fluted tube, there is a larger increase in heat transfer and a smaller increase in frictional resistance coefficients for turbulent flow than that for laminar flow.
(3)
TiO₂ -water nanofluids in the spirally fluted tube have a larger enhancement than that in the smooth tube. TiO₂ -water nanofluids in the spirally fluted tube can enhance the heat transfer by 257.9% at best compared with that in the smooth tube.
(4)
The highest comprehensive evaluation indexes of TiO₂ -water nanofluids in the spirally fluted tube and smooth tube are different. For the spirally fluted tube, the highest comprehensive evaluation index ξ is at Re = 2300 which is the critical Reynolds number between the laminar flow and the turbulent flow. For the smooth tube, the comprehensive evaluation index ξ increases with the Reynolds number.

Laag energieverbruik Substraat-emitterende DFB Quantum Cascade Lasers Ontwerpen van nette en samengestelde koolstofnanobuisjes door middel van porosimetrische karakterisering

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal