Warmteoverdracht en stroomverbetering van TiO₂-water nanofluïdens in spiraal-geflochte vs. gladde buizen

Samenvatting

Deze studie onderzoekt experimenteel de stroom- en warmteoverdrachtprestaties van TiO₂-water nanofluïdens met variërende nanodeeltjes-massa-fracties in zowel spiraal-geflochte als gladde roestvrij-stalen buizen over een breed Reynolds-getal bereik. Stabiliteit wordt beoordeeld met een nieuwe transmissiemethode met een ultraviolet-spectrofotometer, wat optimale dispersie onthult bij 6 wt% dispersant en pH 8. Resultaten tonen aan dat spiraal-geflochte buizen een superieure warmteoverdracht-boost leveren (tot 257,9% ten opzichte van gladde buizen) terwijl slechts bescheiden wrijvingsverliezen optreden. Turbulente stroom in de geflochte buis levert de grootste thermische-versterking-tot-wrijving verhouding. Een uitgebreide prestatie-index, ξ, piekt bij Re ≈ 2300 voor de geflochte buis, terwijl het continu stijgt met Re voor de gladde buis. Deze bevindingen bieden duidelijke richtlijnen voor het selecteren van buisgeometrie en bedrijfscondities in nanofluïde-gebaseerde warmtewisselaars.

Achtergrond

Nanofluïdens—suspensies van nanodeeltjes in een basievloeistof—bieden opmerkelijke warmteoverdrachtscapaciteiten, wat vooruitgang mogelijk maakt in zonne-thermische systemen, desalinatisatie, en elektronische koeling. Hoewel veel studies gladde of geribbelde buizen hebben onderzocht, blijven uitgebreide vergelijkingen tussen spiraal-geflochte en gladde geometrieën schaars. Dit werk overbrugt die kloof door experimentele metingen te combineren met een nieuwe stabiliteitsbeoordelingstechniek en een holistische prestatiemetric.

Methoden

Nanofluïde Bereiding en Stabiliteitsbeoordeling

TiO₂ nanodeeltjes (20–100 nm) werden gedispergeerd in gedemineraliseerd water via een tweestapsmethode: 30-min mechanisch roeren gevolgd door 40-min sonicatie. Een 6 wt% dispersant (PAA) en pH 8 werden voor alle monsters gebruikt. Stabiliteit werd geëvalueerd door zowel de conventionele neerslagtest als een kwantitatieve transmissiemethode; de laatste toonde aan dat monsters met 0,1, 0,3, en 0,5 wt% TiO₂ uitstekende stabiliteit behouden over 72 uur.

Experimentele Opstelling

De testopstelling bestond uit een 1,2 m lange roestvrij-stalen buis (equivalent diameter 0,01 m) met een 1 m centrale meetsectie. Een DC-voeding verhit de buis; 10 T-type thermocoplen maatten wandtemperatuur, terwijl K-type sondes in- en uitlaattemperaturen van de vloeistof vastlegden. Drukval werd vastgelegd met een differentiële druktransducer. Stroomsnelheden werden gecontroleerd door een precisiepomp.

Belangrijke Vergelijkingen

• Warmte-invoer: Q₀ = U I
• Vloeistof-warmtelast: Q_f = c_p ṁ (T_out – T_in)
• Effectieve specifieke warmte en dichtheid berekend via mengregels (vergelijkingen 3 & 10).
• Reynolds-getal: Re = ρ u d_e / μ_f
• Convectieve coëfficiënt: h_f = Q_f / (π d_e l (T_iw – T_f))
• Nusselt-getal: Nu = h_f d_e / λ_f
• Wrijvingsfactor: f = 2 d_e / (ρ u²) (Δp/Δl)
• Uitgebreide prestatie-index: ξ = (Nu/Nu_bf) / (f/f_bf)^{1/3}

Resultaten en Discussie

Systeemvalidatie

Vergelijkingen met literatuur voor water bevestigen dat Nusselt-getallen en wrijvingsfactoren overeenkomen met gepubliceerde data binnen ±3,5% over laminare en turbulente regimes, wat de experimentele opstelling valideert.

Gladde Buis Prestaties

Het verhogen van TiO₂-lading verhoogt het Nusselt-getal met 11,2% (0,5 wt%) tot 16,1% (0,5 wt%) in turbulente stroom. Wrijvingsfactoren stijgen bescheiden (≤ 8% in laminair, ≤ 3% in turbulente). Thermische geleidbaarheid neemt toe 0,17–1,6% terwijl viscositeit stijgt 2,5–13,6%, waarbij de eerste de warmteoverdracht in laminaire stroom domineert en de laatste significanter wordt bij hogere Reynolds-getallen.

Spiraal-geflochte Buis Prestaties

De geflochte geometrie versterkt het voordeel van TiO₂: Nusselt-getallen verbeteren tot 42,8% (0,5 wt%) in turbulente stroom, wat de gladde buis overtreft met 240–260%. Wrijvingsfactoren stijgen duidelijker (≈ 20% laminair, ≈ 10% turbulente) door de schroefstructuur, doch de netto prestatie-index ξ piekt bij Re ≈ 2300, waar warmteoverdrachtswinsten wrijvingsstrafjes overwinnen.

Uitgebreide Evaluatie

De ξ-metriek onthult dat de spiraal-geflochte buis de hoogste prestatie levert nabij de laminair-naar-turbulente overgang, terwijl de gladde buis baat heeft bij progressief hogere Reynolds-getallen. Dit inzicht informeert optimale buisselectie en bedrijfscondities voor nanofluïde-warmtewisselaars.

Conclusies

1. Stabiele TiO₂-water nanofluïdens worden bereikt met 6 wt% dispersant en pH 8; transmissiemetingen bevestigen dispersiekwaliteit.
2. In spiraal-geflochte buizen levert turbulente stroom de grootste warmteoverdracht-verbetering met relatief lagere wrijvingstoenames.
3. Geflochte buizen bieden een warmteoverdracht-boost van meer dan 250% ten opzichte van gladde buizen voor 0,5 wt% TiO₂-lading.
4. Optimale uitgebreide prestatie in geflochte buizen treedt op bij Re ≈ 2300; voor gladde buizen verbetert prestatie continu met hogere Reynolds-getallen.