Análise termohidráulica de nanoplacas de grafeno funcionalizadas covalentes e não covalentes em tubo circular equipado com turbuladores

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 17710 (2022) Citar este artigo

Nanofluidos covalentes e não covalentes foram testados dentro de um tubo circular equipado com inserções de fita torcida com ângulos de hélice de 45° e 90°. O número de Reynolds foi 7.000 ≤ Re ≤ 17.000, e as propriedades termofísicas foram avaliadas em 308 K. O modelo físico foi resolvido numericamente por meio de um modelo de viscosidade turbulenta de duas equações (turbulência SST k-omega). Nanofluidos GNPs-SDBS@DW e GNPs-COOH@DW com concentrações (0,025% em peso, 0,05% em peso e 0,1% em peso%) foram considerados neste estudo. As paredes dos tubos torcidos foram aquecidas sob uma temperatura constante de 330 K. O presente estudo considerou seis parâmetros: temperatura de saída, coeficiente de transferência de calor, número médio de Nusselt, fator de atrito, perda de pressão e critério de avaliação de desempenho. Em ambos os casos (ângulos de hélice de 45° e 90°), os nanofluidos GNPs-SDBS@DW apresentaram desempenho termohidráulico superior ao GNPs-COOH@DW e aumentaram com o aumento das frações de massa como 1,17 para 0,025% em peso, 1,19 para 0,05% em peso. % e 1,26 para 0,1% em peso. Enquanto isso, em ambos os casos (ângulos de hélice de 45° e 90°), o valor do desempenho termohidráulico usando GNPs-COOH@DW foi de 1,02 para 0,025% em peso, 1,05 para 0,05% em peso e 1,02 para 0,1% em peso.

Os trocadores de calor são dispositivos térmicos utilizados para transportar calor durante operações de resfriamento e aquecimento1. O desempenho termohidráulico do trocador de calor aumenta os coeficientes de transferência de calor e reduz a resistência do fluido de trabalho. Algumas técnicas de melhoria da transferência de calor foram desenvolvidas, incluindo promotores de turbulência2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 e nanofluidos12,13,14,15. Devido à sua simplicidade de manutenção e baixo custo, a inserção de fita torcida é uma das formas mais bem-sucedidas de melhorar a transferência de calor em um trocador de calor7,16.

Em uma série de pesquisas experimentais e computacionais, foram investigadas as características hidrotérmicas de uma mistura de nanofluidos e de um trocador de calor com inserções de fita torcida. O trabalho experimental explorou as propriedades hidrotérmicas de três nanofluidos metálicos diferentes (Ag@DW, Fe@DW e Cu@DW) dentro de um trocador de calor com fitas torcidas pontiagudas (STT) . O coeficiente de transferência de calor do STT aumentou 11 e 67% em comparação com o tubo básico. O arranjo SST foi o mais custo-eficiente com base no fator de desempenho, com os parâmetros de α = β = 0,33. Além disso, foi observado um aumento de 18,2% usando Ag@DW, embora o maior aumento na perda de pressão tenha sido de apenas 8,5%. As características físicas de transferência de calor e perda de pressão em um tubo concêntrico com e sem turbuladores de bobina de fio (WC) foram exploradas usando fluxo de nanofluido de convecção forçada turbulenta Al2O3@DW . O número médio máximo de Nusselt (Nuavg) e a perda de pressão foram observados sob o Re = 20.000 quando a bobina do fio de passo = 25 mm e 1,6 volume% -Al2O3@DW nanofluidos. Estudos laboratoriais também foram realizados para investigar as características de transferência de calor e perda de pressão de nanofluidos de óxido de grafeno (GO@DW) fluindo através de um tubo circular básico com insertos de WC . De acordo com os resultados, 0,12% em volume-GO@DW aumentou o coeficiente de transferência de calor convectivo em cerca de 77%. Um estudo experimental adicional desenvolveu nanofluido (TiO @ DW), examinando o desempenho termo-hidráulico de tubos com covinhas equipados com inserções de fita torcida . A maior eficiência termo-hidráulica de 1,258 foi alcançada usando 0,15% em volume de TiO2@DW em uma cavidade inclinada de 45° e incorporada com uma proporção de fita torcida de 3,0. Modelos de simulação monofásicos e bifásicos (mistos) resolveram o fluxo de nanofluidos CuO@DW e a transferência de calor nas várias concentrações de sólidos (1–4% em volume%) . A eficiência térmica máxima em um tubo com uma inserção de fita torcida foi de 2,18, mas foi de 2,04 em um tubo com duas inserções de fita torcida nos mesmos termos (modelo bifásico, Re = 36.000 e 4 volume%). O fluxo turbulento não newtoniano de nanofluidos de carboximetilcelulose (CMC) e óxido de cobre (CuO) foi examinado em um tubo básico e um tubo com inserções torcidas . Nuavg demonstrou melhorias como 16,1% (para tubo básico) e 60% [para um tubo torcido com uma relação de (H/D = 5)]. Freqüentemente, a proporção menor da fita torcida estabeleceu um fator de atrito mais alto. Um estudo experimental examinou as influências do tubo com fita torcida (TT) e bobina de fio (WC) nas propriedades de transferência de calor e fator de atrito usando nanofluido CuO@DW23. Usar 0,3 volume%-CuO@DW em Re = 20.000 melhorou a transferência de calor até seu valor máximo de 44,45% em um tubo WC-2. Além disso, ao aplicar inserções de fita torcida e bobina de fio sob as mesmas condições de contorno, os fatores de atrito aumentaram 1,17 vezes e 1,19 vezes em comparação com DW. Em geral, o fator de desempenho térmico dos nanofluidos com inserções de bobina de fio foi melhor do que para inserções de fita torcida. O desempenho geral do fluxo turbulento de nanofluidos (MWCNTs@DW) foi examinado dentro de um tubo horizontal com fio enrolado inserido . Todos os casos tiveram um parâmetro de desempenho térmico > 1, indicando que a combinação de nanofluidos com inserções de bobinas de fio melhorou a transferência de calor sem consumir energia de bombeamento. Experimentos sob condições turbulentas de fluxo de nanofluido Al2O3 + TiO@DW foram realizados em propriedades hidrotérmicas em um trocador de calor de tubo duplo com várias inserções de fita torcida com corte em V modificada (VcTT) . O Nuavg foi melhorado significativamente pela porcentagem de 132%, e o fator de atrito foi de até 55% quando comparado ao DW em um tubo básico. Além disso, a eficácia exergética do nanocompósito Al2O3 + TiO2@DW foi discutida dentro de um trocador de calor de tubo duplo . Eles descobriram em sua pesquisa que o emprego de Al2O3 + TiO2@DW e TT aumentou a eficiência exergética em relação ao DW. Em um trocador de calor de tubo concêntrico com um turbulador VcTT, Singh e Sarkar27 usaram nanofluidos mono/nanocompósitos dispersos com material de mudança de fase (PCM) (Al2O3@DW com PCM e Al2O3 + PCM). Eles relataram que a transferência de calor e a perda de pressão aumentaram quando a taxa de torção diminuiu e a concentração de nanopartículas aumentou. Maior transferência de calor e perda de pressão foram alcançadas com uma relação de profundidade de corte em V maior ou uma relação de largura menor. Além disso, grafeno-platina (Gr-Pt) foi aplicado para examinar as taxas de produção térmica, friccional e de entropia total em tubos com inserções de 2-TT . Seu estudo observou que menos porcentagem de (Gr-Pt) diminuiu significativamente a formação de entropia térmica do que aumentou relativamente o desenvolvimento de entropia friccional. O nanofluido híbrido Al2O3@MgO e WC cônico podem ser considerados uma boa mistura devido à relação melhorada (h/Δp) para melhorar as propriedades hidrotérmicas de um trocador de calor de tubo duplo . Um modelo numérico foi utilizado para resolver a eficácia ambiental exergoeconômica do trocador de calor com vários nanofluidos híbridos tripartidos (THNF) (Al2O3 + Grafeno + MWCNTs) suspensos em DW30. A combinação de inserto turbulador torcido com covinhas (DTTI) e (Al2O3 + Grafeno + MWCNTs) foi desejada porque seu critério de avaliação de desempenho (PEC) estava na faixa de 1,42–2,35.