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サイズ: 3/4 インチ、1/2 インチ、1 インチ、3 インチ、2 インチ
ユニットパイプの長さ: 6 メートル
鋼グレード: 201、304、および 316
グレード: 201、202、304、316、304L、316L、
材質: ステンレス鋼
状態: 新品
ステンレス鋼管コイル
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共有結合性および非共有結合性のナノ流体は、らせん角 45°および 90°のツイストテープインサートを備えた円形チューブでテストされました。レイノルズ数は 7000 ≤ Re ≤ 17000 で、熱物理的特性は 308 K で評価されました。物理モデルは、2 パラメーターの乱流粘度モデル (SST k-オメガ乱流) を使用して数値的に解決されます。この作業では、ナノ流体 ZNP-SDBS@DV および ZNP-COOH@DV の濃度 (0.025 wt.%、0.05 wt.%、および 0.1 wt.%) が考慮されました。ねじれた管の壁は 330 K の一定温度で加熱されます。今回の研究では、出口温度、熱伝達係数、平均ヌッセルト数、摩擦係数、圧力損失、および性能評価基準の 6 つのパラメーターが考慮されました。両方の場合（螺旋角４５°および９０°）において、ＺＮＰ−ＳＤＢＳ＠ＤＶナノ流体は、ＺＮＰ−ＣＯＯＨ＠ＤＶよりも高い熱流体特性を示し、質量分率の増加、例えば０．０２５重量％に伴って増加した。、および０．０５ｗｔ．は1.19です。%および1.26〜0.1重量%。両方の場合（ねじれ角 45°および 90°）、GNP-COOH@DW を使用した場合の熱力学特性の値は、0.025% wt. で 1.02、0.05% wt. で 1.05 です。0.1重量％の場合は1.02。
熱交換器は、冷却および加熱動作中に熱を伝達するために使用される熱力学的デバイス１である。熱交換器の熱油圧特性により、熱伝達係数が向上し、作動流体の抵抗が減少します。熱伝達を改善するために、乱流促進剤 2、3、4、5、6、7、8、9、10、11 やナノ流体 12、13、14、15 など、いくつかの方法が開発されています。ツイストテープ挿入は、メンテナンスが容易でコストが低いため、熱交換器の熱伝達を改善する最も成功した方法の 1 つです7,16。
一連の実験的および計算的研究において、ナノ流体とねじれたテープインサートを備えた熱交換器の混合物の水熱特性が研究されました。実験研究では、3 つの異なる金属ナノ流体 (Ag@DW、Fe@DW、および Cu@DW) の水熱特性がニードルツイストテープ (STT) 熱交換器で研究されました17。ベースパイプと比較して、STT の熱伝達率は 11%、67% 向上します。SST レイアウトは、パラメータ α = β = 0.33 の効率という点で経済的な観点から最も優れています。さらに、Ag@DW では n の 18.2% の増加が観察されましたが、圧力損失の最大増加は 8.5% にすぎませんでした。強制対流を伴う Al2O3@DW ナノ流体の乱流を使用して、コイル状タービュレーターの有無にかかわらず、同心パイプ内の熱伝達と圧力損失の物理的プロセスを研究しました。最大平均ヌッセルト数 (Nuavg) と圧力損失は、コイル ピッチ = 25 mm、Al2O3@DW ナノ流体 1.6 vol.% の場合、Re = 20,000 で観察されます。WC インサートを備えたほぼ円形のチューブを流れる酸化グラフェン ナノ流体 (GO@DW) の熱伝達と圧力損失特性を研究するための実験室研究も行われています。結果は、0.12 vol%-GO@DW が対流熱伝達係数を約 77% 増加させることを示しました。別の実験研究では、ツイストテープインサートを取り付けたディンプル付きチューブの熱水力特性を研究するために、ナノ流体 (TiO2@DW) が開発されました20。最大水熱効率 1.258 は、ねじれ係数 3.0 の 45°傾斜シャフトに埋め込まれた 0.15 vol%-TiO2@DW を使用して達成されました。単相および二相 (ハイブリッド) シミュレーション モデルでは、さまざまな固形分濃度 (1 ～ 4% vol.%) での CuO@DW ナノ流体の流れと熱伝達が考慮されています 21。1 本のツイストテープで挿入されたチューブの最大熱効率は 2.18、同じ条件で 2 本のツイストテープで挿入されたチューブの最大熱効率は 2.04 (二相モデル、Re = 36,000、4 vol.%) です。メインパイプおよびねじれたインサートを備えたパイプ内のカルボキシメチルセルロース (CMC) と酸化銅 (CuO) の非ニュートン乱流ナノ流体の流れが研究されています。Nuavg は、16.1% (メイン パイプラインの場合)、60% (比 (H/D = 5) のコイル状パイプラインの場合) の改善を示しました。一般に、撚り対リボンの比率が低いほど、摩擦係数は高くなります。実験研究では、ツイストテープ (TT) とコイル (VC) を備えたパイプが熱伝達と摩擦係数の特性に及ぼす影響を、CuO@DW ナノ流体を使用して研究しました。0.3volを使用。Re = 20,000 の %-CuO@DW により、VK-2 パイプ内の熱伝達を最大値 44.45% まで高めることができます。さらに、同じ境界条件でツイスト ペア ケーブルとコイル インサートを使用すると、摩擦係数は DW と比較して 1.17 倍および 1.19 倍増加します。一般に、コイルに挿入されたナノ流体の熱効率は、より線に挿入されたナノ流体の熱効率よりも優れています。乱流 (MWCNT@DW) ナノ流体流の体積特性を、スパイラル ワイヤーに挿入された水平チューブの内部で研究しました。熱性能パラメータはすべての場合で > 1 であり、ナノ流体工学とコイル インサートの組み合わせにより、ポンプ電力を消費せずに熱伝達が向上することが示されています。要約 - 改良ツイストツイスト V 字型テープ (VcTT) で作られたさまざまなインサートを備えた 2 パイプ熱交換器の水熱特性が、Al2O3 + TiO2@DW ナノ流体の乱流条件下で研究されました。ベースチューブの DW と比較して、Nuavg は 132% の大幅な向上と最大 55% の摩擦係数を実現します。さらに、二管式熱交換器における Al2O3+TiO2@DW ナノ複合材料のエネルギー効率についても議論されました 26。彼らの研究では、Al2O3 + TiO2@DW および TT を使用すると、DW と比較してエクセルギー効率が向上することがわかりました。VcTT タービュレーターを備えた同心管状熱交換器では、Singh と Sarkar27 は相変化材料 (PCM)、分散単一/ナノ複合ナノ流体 (PCM を含む Al2O3@DW および Al2O3 + PCM) を使用しました。彼らは、ねじれ係数が減少し、ナノ粒子濃度が増加すると、熱伝達と圧力損失が増加すると報告しました。V ノッチの深さ係数が大きいほど、または幅係数が小さいほど、熱伝達と圧力損失が大きくなります。さらに、グラフェン-プラチナ (Gr-Pt) は、2-TT28 インサートを備えたチューブ内の熱、摩擦、および全体的なエントロピー生成率を調査するために使用されています。彼らの研究は、(Gr-Pt) の割合が少ないと、比較的高い摩擦エントロピーの発生と比較して、熱エントロピーの発生が大幅に減少することを示しました。混合Ａｌ２Ｏ３＠ＭｇＯナノ流体と円錐形ＷＣは、比（ｈ／Δｐ）の増加により二管式熱交換器２９の水熱性能を向上させることができるため、良好な混合物と考えることができる。数値モデルを使用して、DW30 に懸濁されたさまざまな 3 成分ハイブリッド ナノ流体 (THNF) (Al2O3 + グラフェン + MWCNT) を使用した熱交換器の省エネおよび環境性能を評価します。性能評価基準 (PEC) が 1.42 ～ 2.35 の範囲にあるため、Depressed Twisted Turbulizer Insert (DTTI) と (Al2O3 + グラフェン + MWCNT) の組み合わせが必要です。
これまで、熱流体における流体力学的な流れにおける共有結合および非共有結合による官能基化の役割にはほとんど注目が払われてきませんでした。この研究の具体的な目的は、ねじれ角 45° と 90° のツイスト テープ インサート内のナノ流体 (ZNP-SDBS@DV) と (ZNP-COOH@DV) の熱流体特性を比較することでした。熱物性は錫 = 308 K で測定されました。この場合、比較プロセスでは 3 つの質量分率 (0.025 wt.%、0.05 wt.%、0.1 wt.%) が考慮されました。3D 乱流モデル (SST k-ω) のせん断応力伝達は、熱流体特性を解決するために使用されます。したがって、この研究は、そのような工学システムにおける実際の作動流体の熱流体特性と最適化を実証し、正の特性 (熱伝達) と負の特性 (摩擦による圧力降下) の研究に大きく貢献します。
基本構成は平滑管（L=900mm、Dh=20mm）です。挿入されたツイストテープの寸法 (長さ = 20 mm、厚さ = 0.5 mm、プロファイル = 30 mm)。この場合、スパイラルプロファイルの長さ、幅、ストロークはそれぞれ 20 mm、0.5 mm、30 mm でした。ツイストテープは45°と90°に傾斜しています。DW、非共有結合性ナノ流体 (GNF-SDBS@DW) および共有結合性ナノ流体 (GNF-COOH@DW) などのさまざまな作動流体 (Tin = 308 K、3 つの異なる質量濃度、および異なるレイノルズ数)。テストは熱交換器の内部で実施されました。スパイラルチューブの外壁は、熱伝達を改善するためのパラメーターをテストするために、330 K の一定の表面温度で加熱されました。
図上。図１は、適用可能な境界条件およびメッシュ領域を有するねじれたテープ挿入チューブを概略的に示す。前述したように、速度と圧力の境界条件がらせんの入口部分と出口部分に適用されます。一定の表面温度では、パイプ壁に滑りにくい状態が課されます。現在の数値シミュレーションでは、圧力ベースのソリューションが使用されています。同時に、プログラム (ANSYS FLUENT 2020R1) を使用して、有限体積法 (FMM) を使用して偏微分方程式 (PDE) を代数方程式系に変換します。二次 SIMPLE 法 (圧力依存の逐次方程式に対する半陰的解法) は、速度-圧力に関連します。質量、運動量、エネルギー方程式の残差の収束がそれぞれ 103 および 106 未満であることを強調しておく必要があります。
p 物理領域と計算領域の図: (a) 螺旋角 90°、(b) 螺旋角 45°、(c) 螺旋ブレードなし。
均一モデルはナノ流体の特性を説明するために使用されます。ベース流体 (DW) にナノマテリアルを組み込むことにより、優れた熱特性を備えた連続流体が形成されます。この点において、ベース流体とナノマテリアルの温度と速度は同じ値を持ちます。上記の理論と仮定により、この研究では効率的な単相流が機能します。いくつかの研究で、ナノ流体流に対する単相技術の有効性と適用性が実証されています 31,32。
ナノ流体の流れはニュートン乱流で、非圧縮性で静止していなければなりません。圧縮仕事と粘性加熱はこの研究では無関係です。また、パイプの内壁と外壁の厚さは考慮されていません。したがって、熱モデルを定義する質量、運動量、エネルギー保存方程式は次のように表すことができます。
ここで、\(\overrightarrow{V}\) は平均速度ベクトル、Keff = K + Kt は共有結合および非共有結合のナノ流体の実効熱伝導率、ε はエネルギー散逸率です。表に示す、密度 (ρ)、粘度 (μ)、比熱容量 (Cp)、熱伝導率 (k) などのナノ流体の有効熱物理的特性は、使用時の温度 308 K1 での実験研究中に測定されました。これらのシミュレータでは。
従来型および TT チューブ内のナノ流体乱流の数値シミュレーションは、レイノルズ数 7000 ≤ Re ≤ 17000 で実行されました。これらのシミュレーションと対流熱伝達係数は、レイノルズ乱流全体で平均化されたせん断応力伝達 (SST) のメンターの κ-ω 乱流モデルを使用して分析されました。空力研究で一般的に使用されるモデル Navier-Stokes。さらに、モデルは壁関数なしで動作し、壁 35、36 の近くでも正確です。(SST) 乱流モデルの κ-ω 支配方程式は次のとおりです。
ここで、\(S\) はひずみ速度の値、\(y\) は隣接する表面までの距離です。一方、\({\alpha}_{1}\)、\({\alpha}_{2}\)、\({\beta}_{1}\)、\({\beta}_{ 2 }\)、\({\beta}^{*}\)、\({\sigma}_{{k}_{1}}\)、\({\sigma}_{{k}_{ 2 }}\)、\({\sigma}_{{\omega}_{1}}\)、および \({\sigma}_{{\omega}_{2}}\) はすべてのモデル定数を表します。F1 と F2 は混合関数です。注: F1 = 境界層では 1、対向流では 0。
性能評価パラメータは、乱流の対流熱伝達、共有結合および非共有結合のナノ流体の流れを研究するために使用されます。たとえば、31:
この文脈では、(\(\rho\))、(\(v\))、(\({D}_{h}\))、および (\(\mu\)) が密度、流体速度に使用されます。 、水力直径と動粘度。(\({C}_{p}\, \mathrm{u}\, k\)) – 流れる流体の比熱容量と熱伝導率。また、(\(\dot{m}\)) は質量流量を指し、(\({T}_{out}-{T}_{in}\)) は入口と出口の温度差を指します。(NFs) は共有結合性および非共有結合性のナノ流体を指し、(DW) は蒸留水 (ベース流体) を指します。\({A}_{s} = \pi DL\)、\({\overline{T}}_{f}=\frac{\left({T}_{out}-{T}_{in }\right)}{2}\) と \({\overline{T}}_{w}=\sum \frac{{T}_{w}}{n}\)。
ベース流体 (DW)、非共有結合性ナノ流体 (GNF-SDBS@DW)、および共有結合性ナノ流体 (GNF-COOH@DW) の熱物性は、公開されている文献 (実験研究) から取得したもので、Sn = 308 K、表 134 に示します。既知の質量パーセントの非共有結合 (GNP-SDBS@DW) ナノ流体を取得する典型的な実験では、最初に特定のグラムの一次 GNP をデジタル天秤で秤量しました。SDBS/ネイティブ GNP の重量比は (0.5:1) で DW に重み付けされます。この場合、HNO3 と H2SO4 の体積比 (1:3) の強酸性媒体を使用して、GNP の表面にカルボキシル基を付加することにより、共有結合性 (COOH-GNP@DW) ナノ流体を合成しました。共有結合性および非共有結合性のナノ流体を、0.025 wt%、0.05 wt%などの 3 つの異なる重量パーセントで DW に懸濁しました。質量の0.1%。
メッシュの独立性テストは、メッシュ サイズがシミュレーションに影響を与えないことを確認するために、4 つの異なる計算ドメインで実行されました。45°トーションパイプの場合、ユニットサイズ1.75mmのユニット数は249,033個、ユニットサイズ2mmのユニット数は307,969個、ユニットサイズ2.25mmのユニット数は421,406個、ユニット数はユニットサイズはそれぞれ2.5 mm 564 940です。また、90°ねじり管の例では、エレメントサイズ1.75mmのエレメント数は245,531個、エレメントサイズ2mmのエレメント数は311,584個、エレメントサイズ2.25mmのエレメント数は311,584個となります。エレメントサイズ2.5mmのエレメント数はそれぞれ422,708個、573,826個です。(Tout、htc、Nuavg) などの熱特性の読み取り精度は、要素の数が減少するにつれて増加します。同時に、摩擦係数と圧力損失の値の精度はまったく異なる挙動を示しました（図2）。グリッド (2) は、シミュレーションの場合の熱流体特性を評価するためのメイン グリッド領域として使用されました。
45°と90°でねじられたペアのDWチューブを使用して、メッシュとは独立して熱伝達と圧力損失のパフォーマンスをテストします。
現在の数値結果は、Dittus-Belter、Petukhov、Gnelinsky、Notter-Rouse、Blasius などのよく知られた経験的相関関係と方程式を使用して、熱伝達性能と摩擦係数について検証されています。7000≦Re≦17000の条件で比較しました。図によると。図 3 に示すように、シミュレーション結果と熱伝達方程式の間の平均誤差と最大誤差は、4.050 と 5.490% (Dittus-Belter)、9.736 と 11.33% (Petukhov)、4.007 と 7.483% (Gnelinsky)、および 3.883% と 4.937% (ノット・ベルター）。薔薇）。この場合、シミュレーション結果と摩擦係数式の間の平均誤差と最大誤差は、それぞれ 7.346% と 8.039% (Blasius)、および 8.117% と 9.002% (Petukhov) です。
数値計算と経験的相関を使用した、さまざまなレイノルズ数における DW の熱伝達と流体力学特性。
このセクションでは、3 つの異なる質量分率での非共有結合 (LNP-SDBS) および共有結合 (LNP-COOH) 水性ナノ流体の熱特性と、ベース流体 (DW) に対する平均としてのレイノルズ数について説明します。コイル状ベルト熱交換器の 2 つの形状 (らせん角 45° および 90°) について、7000 ≤ Re ≤ 17000 について検討します。図 4 は、ナノ流体のベース流体への出口における平均温度 (DW) (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{ DW } } \) ) (0.025% wt.、0.05% wt.、および 0.1% wt.)。(\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) は常に 1 未満です。これは、出口温度が非共有結合性 (VNP-SDBS) および共有結合性 (VNP-COOH) のナノ流体は、ベース液体の出口の温度より低くなります。最も低い削減と最も高い削減は、それぞれ 0.1 wt%-COOH@GNP と 0.1 wt%-SDBS@GNP でした。この現象は、一定の質量分率でのレイノルズ数の増加によるもので、ナノ流体の特性 (つまり、密度と動粘度) が変化します。
図 5 および 6 は、(0.025 wt.%、0.05 wt.%、および 0.1 wt.%) でのナノ流体からベース流体 (DW) への平均熱伝達特性を示しています。平均熱伝達特性は常に 1 より大きく、非共有結合 (LNP-SDBS) および共有結合 (LNP-COOH) ナノ流体の熱伝達特性がベース流体と比較して向上していることを意味します。0.1 wt%-COOH@GNP および 0.1 wt%-SDBS@GNP は、それぞれ最低および最高の利得を達成しました。配管１内での流体の混合や乱流が大きくなり、レイノルズ数が増加すると、熱伝達性能が向上する。小さなギャップを通過する流体はより高い速度に達し、その結果、速度と熱の境界層が薄くなり、熱伝達率が増加します。ベース流体にさらに多くのナノ粒子を追加すると、プラスの結果とマイナスの結果の両方が生じる可能性があります。有益な効果としては、ナノ粒子の衝突の増加、流体の熱伝導率要件の向上、熱伝達の強化などが挙げられます。
45°および90°チューブのレイノルズ数に応じたナノ流体からベース流体への熱伝達係数。
同時に、マイナスの影響として、ナノ流体の動粘度が増加し、ナノ流体の移動度が低下し、それによって平均ヌッセルト数 (Nuavg) が減少します。ナノ流体 (ZNP-SDBS@DW) および (ZNP-COOH@DW) の熱伝導率の増加は、DW37 に懸濁されたグラフェン ナノ粒子のブラウン運動と微小対流によるものと考えられます。ナノ流体 (ZNP-COOH@DV) の熱伝導率は、ナノ流体 (ZNP-SDBS@DV) や蒸留水の熱伝導率よりも高くなります。ベース流体にナノマテリアルをさらに追加すると、熱伝導率が増加します (表 1)38。
図 7 は、ナノ流体とベース流体 (DW) の平均摩擦係数 (f(NFs)/f(DW)) を質量パーセント (0.025%、0.05%、および 0.1%) で示しています。平均摩擦係数は常に ≈ 1 です。これは、非共有結合 (GNF-SDBS@DW) および共有結合 (GNF-COOH@DW) ナノ流体がベース流体と同じ摩擦係数を有することを意味します。熱交換器のスペースが少ないと、流れの障害が大きくなり、流れの摩擦が増加します1。基本的に、摩擦係数は、ナノ流体の質量分率が増加するとわずかに増加します。摩擦損失の増加は、ベース流体中のナノグラフェンの質量パーセントが高くなると、ナノ流体の動的粘度が増加し、表面のせん断応力が増加することによって引き起こされます。表 (1) は、同じ重量パーセントでナノ流体 (ZNP-SDBS@DV) の動粘度がナノ流体 (ZNP-COOH@DV) の動粘度よりも高いことを示しており、これは表面効果の追加に関連しています。非共有結合性ナノ流体上の活性剤。
図上。図 8 は、(0.025%、0.05%、および 0.1% におけるベース流体 (DW) (\(\frac{{\Delta P}_{NFs}}{{\Delta P}_{DW}}\)) と比較したナノ流体を示しています。 ）。非共有結合 (GNPs-SDBS@DW) ナノ流体は、より高い平均圧力損失を示し、質量パーセントが 0.025% wt. の場合は 2.04%、0.05% wt.の場合は 2.46% に増加しました。０．１重量％の場合は３．４４％。ケース拡大付き (ねじれ角 45° および 90°)。一方、ナノ流体 (GNPs-COOH@DW) は平均圧力損失が低くなり、0.025% wt で 1.31% から増加しました。0.05% wtで最大1.65%0.05 wt.%-COOH@NP および 0.1 wt.%-COOH@NP の平均圧力損失は 1.65% です。見てわかるように、圧力損失はすべての場合において Re 数の増加とともに増加します。高い Re 値での圧力損失の増加は、体積流量への直接的な依存によって示されます。したがって、チューブ内の Re 値が高くなると圧力降下が大きくなり、ポンプ出力の増加が必要になります 39,40。さらに、表面積が大きくなることにより発生する渦や乱流の強度が大きくなり、境界層内の圧力と慣性力の相互作用が増大するため、圧力損失が大きくなります1。
一般に、非共有結合ナノ流体 (VNP-SDBS@DW) および共有結合ナノ流体 (VNP-COOH@DW) の性能評価基準 (PEC) を図 1 および 2 に示します。9. ナノ流体 (ZNP-SDBS@DV) は、両方の場合 (らせん角 45° および 90°) で (ZNP-COOH@DV) よりも高い PEC 値を示し、質量分率を増やすことで改善されました (たとえば、0.025)。重量％。は１．１７、０．０５重量％は１．１９、０．１重量％は１．２６である。一方、ナノ流体（GNPs-COOH@DW）を使用したPEC値は、0.025 wt%で1.02、0.05 wt%で1.05、0.1 wt%で1.05でした。どちらの場合も (ねじれ角 45° と 90°)。1.02.一般に、レイノルズ数が増加すると、熱流体効率は大幅に低下します。レイノルズ数が増加するにつれて、熱水力効率係数の減少は、(NuNFs/NuDW) の増加および (fNFs/fDW) の減少と系統的に関連しています。
ベース流体に対するナノ流体の水熱特性は、角度 45° および 90° のチューブのレイノルズ数に依存します。
このセクションでは、3 つの異なる質量濃度とレイノルズ数における水 (DW)、非共有結合性 (VNP-SDBS@DW)、および共有結合性 (VNP-COOH@DW) ナノ流体の熱特性について説明します。平均的な熱流体性能を評価するために、従来のパイプ (ねじれ角 45° および 90°) に対して 7000 ≤ Re ≤ 17000 の範囲で 2 つのコイル状ベルト熱交換器の形状が考慮されました。図上。図１０は、一般的なパイプ（\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{ {T} _{アウト}}_{レギュラー}}\))。非共有結合性 (GNP-SDBS@DW) および共有結合性 (GNP-COOH@DW) ナノ流体には、0.025 wt%、0.05 wt%、0.1 wt% などの 3 つの異なる重量分率があります。図に示すように。11、出口温度の平均値 (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{{T}_{out}}_{Plain}}\)) > 1、これは、乱流の強度が大きく、液体の混合が良好であるため、熱交換器の出口温度（らせん角 45° および 90°）が従来のパイプの温度よりも重要であることを示しています。さらに、DW、非共有結合性および共有結合性ナノ流体の出口の温度は、レイノルズ数の増加とともに低下しました。ベース流体 (DW) の平均出口温度が最も高くなります。一方、最低値は 0.1 wt%-SDBS@GNPs を指します。非共有結合 (GNPs-SDBS@DW) ナノ流体は、共有結合 (GNPs-COOH@DW) ナノ流体と比較して、低い平均出口温度を示しました。テープをねじると流れ場がより混合されるため、壁近くの熱流束が液体を通過しやすくなり、全体の温度が上昇します。テープに対する撚りの比率が低いほど浸透が良くなり、熱伝達が良くなります。一方、巻かれたテープは壁に対してより低い温度を維持し、その結果 Nuavg が増加することがわかります。ツイストテープインサートの場合、Nuavg 値が高いほど、チューブ内の対流熱伝達が向上していることを示します22。流路の増加と追加の混合と乱流により滞留時間が増加し、その結果出口での液体の温度が上昇します41。
従来のチューブ (らせん角 45° および 90°) の出口温度に対するさまざまなナノ流体のレイノルズ数。
従来のチューブと比較した、さまざまなナノ流体の熱伝達係数 (らせん角 45° および 90°) とレイノルズ数の関係。
コイルテープの熱伝達強化の主なメカニズムは次のとおりです。 1. 熱交換チューブの水力直径の縮小により、流速と曲率が増加し、その結果、壁でのせん断応力が増加し、二次運動が促進されます。2. 巻線テープの詰まりにより、管壁での速度が増加し、境界層の厚さが減少します。3. ねじれたベルトの背後でスパイラル流が発生し、速度の向上につながります。4. 誘発された渦により、流れの中央領域と壁近くの領域の間の流体の混合が改善されます42。図上。11と図。図１２は、ＤＷおよびナノ流体の熱伝達特性、例えば、従来のチューブと比較したツイストテープ挿入チューブを使用した平均値（熱伝達係数および平均ヌッセルト数）を示す。非共有結合性 (GNP-SDBS@DW) および共有結合性 (GNP-COOH@DW) ナノ流体には、0.025 wt%、0.05 wt%、0.1 wt% などの 3 つの異なる重量分率があります。どちらの熱交換器 (らせん角 45° および 90°) でも、平均熱伝達性能は 1 以上であり、従来のチューブと比較してコイル状チューブの熱伝達係数と平均ヌッセルト数が向上していることを示しています。非共有結合 (GNPs-SDBS@DW) ナノ流体は、共有結合 (GNPs-COOH@DW) ナノ流体よりも高い平均熱伝達の向上を示しました。Re = 900 では、2 つの熱交換器 (らせん角 45° および 90°) の熱伝達性能 -SDBS@GNP の 0.1 wt% 向上が、値 1.90 で最も高くなりました。これは、流体速度 (レイノルズ数) が低く 43 、乱流強度が増加すると、均一な TP 効果がより重要になることを意味します。複数の渦が導入されているため、TT チューブの熱伝達係数と平均ヌッセルト数は従来のチューブよりも高く、その結果境界層が薄くなります。HP の存在により、ベースパイプと比較して乱流の強さ、作動流体の流れの混合、および熱伝達の強化が行われますか (ツイストテープを挿入しない場合)21。
従来のチューブと比較した、さまざまなナノ流体の平均ヌッセルト数 (らせん角 45° および 90°) 対レイノルズ数。
図 13 と図 14 は、平均摩擦係数 (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain}}\)) と圧力損失 (\(\frac{{\Delta P}) を示しています。 _ {Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\}} DW ナノ流体、(GNPs-SDBS@DW) および (GNPs-COOH@DW) イオン交換体を使用した従来のパイプの場合、約 45° および 90° ( 0.025 wt %、0.05 wt %、および 0.1 wt %)。{ {f}_{Plain} }\)) および圧力損失 (\(\frac{{ \Delta P}_{Twisted}}{{\Delta P }_{Plain}}\}) が減少する場合、レイノルズ数が低いほど摩擦係数と圧力損失が高くなります 平均摩擦係数と圧力損失は 3.78 ～ 3.12 です 平均摩擦係数と圧力損失は、(45° ねじれ) を示しています熱交換器のコストは従来のパイプに比べて 3 倍高くなります。また、作動流体が高速で流れると摩擦係数が低下します。レイノルズ数が増加するにつれて境界層の厚さが厚くなるため、問題が発生します。これにより、患部に対する動粘度の影響が減少し、速度勾配とせん断応力が減少し、その結果、摩擦係数が減少します21。TT の存在と渦流の増加による阻止効果の向上により、異種 TT パイプではベースパイプよりも圧力損失が大幅に高くなります。さらに、ベースパイプと TT パイプの両方で、圧力損失が作動流体の速度とともに増加することがわかります 43。
従来のチューブと比較した、さまざまなナノ流体の摩擦係数 (ねじれ角 45° および 90°) とレイノルズ数の関係。
従来のチューブと比較したさまざまなナノ流体のレイノルズ数の関数としての圧力損失 (45° および 90° の螺旋角)。
要約すると、図 15 は、プレーン チューブ (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}} \ )) DV、(VNP-SDBS@DV) および共有結合 (VNP-COOH@DV) ナノ流体を使用した (0.025 wt.%、0.05 wt.%、および 0.1 wt.%)。熱交換器の両方の場合 (ねじれ角 45° および 90°) の値 (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) > 1。さらに、(\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) は Re = 11,000 で最高値に達します。90° 熱交換器は、45° 熱交換器と比較して、(\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) がわずかに増加しています。、Re = 11,000 の 0.1 wt%-GNPs@SDBS は、より高い (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) 値を表します。たとえば、45° の熱交換器コーナーの場合は 1.25 です。 90°コーナー熱交換器の場合は 1.27。これは、質量分率のすべてのパーセンテージで 1 を超えており、ツイストテープインサートを備えたパイプが従来のパイプよりも優れていることを示しています。特に、テープインサートによる熱伝達の向上により、摩擦損失が大幅に増加しました22。
従来のチューブ（らせん角 45°および 90°）と比較したさまざまなナノ流体のレイノルズ数の効率基準。
付録 A は、DW、0.1 wt%-GNP-SDBS@DW および 0.1 wt%-GNP-COOH@DW を使用した、Re = 7000 での 45° および 90° 熱交換器の流線を示しています。横断面の流線は、主流に対するツイスト リボン インサートの効果の最も顕著な特徴です。45° と 90° の熱交換器を使用すると、壁付近の領域の速度がほぼ同じであることがわかります。一方、付録 B は、DW、0.1 wt%-GNP-SDBS@DW および 0.1 wt%-GNP-COOH@DW を使用した、Re = 7000 での 45° および 90° 熱交換器の速度等高線を示しています。速度ループは 3 つの異なる位置 (スライス)、たとえば、Plain-1 (P1 = −30mm)、Plain-4 (P4 = 60mm)、Plain-7 (P7 = 150mm) にあります。パイプ壁付近の流速は最も低く、パイプの中心に向かって流体の速度は増加します。また、エアダクトを通過する際、壁付近の低速領域が増加します。これは流体力学的境界層の成長により、壁近くの低速領域の厚さが増加するためです。さらに、レイノルズ数が増加すると、すべての断面の全体的な速度レベルが増加し、それによってチャネル内の低速領域の厚さが減少します39。
共有結合および非共有結合で官能化されたグラフェン ナノシートを、らせん角 45°および 90°のツイスト テープ インサートで評価しました。熱交換器は、7000 ≤ Re ≤ 17000 で SST k-オメガ乱流モデルを使用して数値的に解析されます。熱物理的特性は、Tin = 308 K で計算されます。同時に、ねじれた管壁を 330 K の一定温度で加熱します。COOH@DV)例えば、３つの質量量（０．０２５重量％、０．０５重量％、および０．１重量％）に希釈した。今回の研究では、出口温度、熱伝達係数、平均ヌッセルト数、摩擦係数、圧力損失、性能評価基準の 6 つの主要な要素を考慮しました。主な発見は次のとおりです。
平均出口温度 (\({{T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) は常に 1 未満です。これは、次のことを意味します。非拡散 原子価ナノ流体 (ZNP-SDBS@DV) および共有結合ナノ流体 (ZNP-COOH@DV) の出口温度は、ベース液体の出口温度よりも低くなります。一方、平均出口温度 (\({{T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\)) 値 > 1 は、実際（ねじれ角 45° および 90°）、出口温度は従来のチューブよりも高くなります。
どちらの場合も、熱伝達特性 (ナノ流体/ベース流体) および (ねじれチューブ/通常のチューブ) の平均値は常に >1 を示します。非共有結合 (GNPs-SDBS@DW) ナノ流体は、共有結合 (GNPs-COOH@DW) ナノ流体に対応して、より高い平均熱伝達増加を示しました。
非共有結合性 (VNP-SDBS@DW) および共有結合性 (VNP-COOH@DW) ナノ流体の平均摩擦係数 (\({f}_{Nanofluids}/{f}_{Basefluid}\)) は常に ≈1 です。 。非共有結合性 (ZNP-SDBS@DV) ナノ流体と共有結合性 (ZNP-COOH@DV) ナノ流体の摩擦 (\({f}_{Twisted}/{f}_{Plain}\)) (常に > 3)。
どちらの場合（らせん角 45° と 90°）でも、ナノ流体（GNPs-SDBS@DW）はより高い値を示しました（\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) 0.025 ２．０４％の場合は重量％、２．４６％の場合は０．０５重量％、３．４４％の場合は０．１重量％。一方、(GNPs-COOH@DW) ナノ流体は、0.025 wt.% の 1.31% から 0.05 wt.% の 1.65% まで、より低い (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) を示しました。 ％ 重量で。また、非共有結合(GNPs-SDBS@DW)と共有結合(GNPs-COOH@DW)の平均圧力損失(\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\) ))) ナノ流体は常に >3。
どちらの場合（らせん角 45° と 90°）でも、ナノ流体（GNPs-SDBS@DW）はより高い（\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC} _{Basefluid}\)) @DW 値）を示しました。 、例えば、0.025 wt.% – 1.17、0.05 wt.% – 1.19、0.1 wt.% – 1.26。この場合、(GNPs-COOH@DW) ナノ流体を使用した (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\)) の値は、0.025 wt.% の場合は 1.02、0.025 wt.% の場合は 1.05 です。 、０５ｗｔ．％、１．０２は０．１重量％である。さらに、Re = 11,000 では、0.1 wt%-GNPs@SDBS はより高い値 (\({PEC}_{Twisted}/{PEC}_{Plain}\)) を示しました。たとえば、ねじれ角 45° の場合は 1.25 でした。 ９０°ねじれ角１．２７。
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投稿日時: 2023 年 3 月 17 日