Análisis termohidráulico de nanoplaquetas de grafeno funcionalizado covalente y no covalente en tubo circular equipado con turbuladores

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 17710 (2022) Citar este artículo

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Se probaron nanofluidos covalentes y no covalentes dentro de un tubo circular equipado con inserciones de cinta retorcida con ángulos de hélice de 45° y 90°. El número de Reynolds fue 7000 ≤ Re ≤ 17 000, y las propiedades termofísicas se evaluaron a 308 K. El modelo físico se resolvió numéricamente a través de un modelo de viscosidad de remolino de dos ecuaciones (SST k-omega turbulencia). En este estudio se consideraron los nanofluidos GNPs-SDBS@DW y GNPs-COOH@DW con concentraciones (0,025% en peso, 0,05% en peso y 0,1% en peso). Las paredes de los tubos torcidos se calentaron a una temperatura constante de 330 K. El estudio actual consideró seis parámetros: temperatura de salida, coeficiente de transferencia de calor, número de Nusselt promedio, factor de fricción, pérdida de presión y criterio de evaluación del desempeño. En ambos casos (ángulos de hélice de 45° y 90°), los nanofluidos GNPs-SDBS@DW presentaron un mayor rendimiento termohidráulico que los GNPs-COOH@DW y aumentaron al aumentar las fracciones de masa como 1,17 para 0,025% en peso, 1,19 para 0,05 en peso. % y 1,26 para 0,1% en peso. Mientras tanto, en ambos casos (ángulos de hélice de 45° y 90°), el valor del rendimiento termohidráulico usando GNPs-COOH@DW fue de 1,02 para 0,025% en peso, 1,05 para 0,05% en peso y 1,02 para 0,1% en peso.

Los intercambiadores de calor son dispositivos térmicos que se utilizan para transportar calor durante las operaciones de refrigeración y calefacción1. El rendimiento termohidráulico del intercambiador de calor aumenta los coeficientes de transferencia de calor y reduce la resistencia del fluido de trabajo. Se han desarrollado algunas técnicas de mejora de la transferencia de calor, incluidos los promotores de turbulencia2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 y los nanofluidos12,13,14,15. Debido a su simplicidad de mantenimiento y bajo costo, la inserción de cinta torcida es una de las formas más exitosas de mejorar la transferencia de calor en un intercambiador de calor7,16.

En una serie de investigaciones experimentales y computacionales, se investigaron las características hidrotermales de una mezcla de nanofluidos y un intercambiador de calor con insertos de cinta retorcida. El trabajo experimental exploró las propiedades hidrotermales de tres nanofluidos metálicos diferentes (Ag@DW, Fe@DW y Cu@DW) dentro de un intercambiador de calor con cintas retorcidas puntiagudas (STT)17. El coeficiente de transferencia de calor de STT ha aumentado entre un 11 y un 67 % en comparación con la tubería básica. El arreglo SST fue el mejor costo-eficiente basado en el factor de desempeño, con los parámetros de α = β = 0.33. Además, se observó un aumento de n del 18,2 % con Ag@DW, aunque el mayor aumento en la pérdida de presión fue solo del 8,5 %. Las características físicas de la transferencia de calor y la pérdida de presión en un tubo concéntrico con y sin turbuladores de bobina de alambre (WC) se exploraron utilizando flujo de nanofluido de convección forzada turbulenta Al2O3@DW18. El número de Nusselt promedio máximo (Nuavg) y la pérdida de presión se observaron bajo Re = 20 000 cuando la bobina de alambre de paso = 25 mm y 1,6% en volumen-Al2O3@DW nanofluidos. También se llevaron a cabo estudios de laboratorio para investigar las características de transferencia de calor y pérdida de presión de los nanofluidos de óxido de grafeno (GO@DW) que fluyen a través de un tubo circular básico con insertos de WC19. Según los resultados, 0,12% en volumen-GO@DW aumentó el coeficiente de transferencia de calor por convección en aproximadamente un 77%. Un estudio experimental adicional desarrolló (TiO2@DW) nanofluido, examinando el rendimiento termohidráulico de tubos con hoyuelos equipados con inserciones de cinta retorcida20. La mayor eficiencia termohidráulica de 1,258 se logró usando 0,15 % en volumen de TiO2@DW en un hoyuelo inclinado de 45° e incrustado con una relación de cinta torcida de 3,0. Los modelos de simulación monofásicos y bifásicos (mixtos) resolvieron el flujo de nanofluidos CuO@DW y la transferencia de calor en las diversas concentraciones sólidas (1–4 % en volumen%)21. La eficiencia térmica máxima en un tubo con una inserción de cinta torcida fue de 2,18, pero fue de 2,04 en un tubo con dos inserciones de cinta torcida en los mismos términos (modelo bifásico, Re = 36.000 y 4% en volumen). Se examinó el flujo de nanofluidos turbulentos no newtonianos de carboximetilcelulosa (CMC) y óxido de cobre (CuO) en una tubería básica y una tubería con inserciones retorcidas22. Nuavg demostró mejoras como 16,1 % (para tubería básica) y 60 % [para una tubería torcida con una relación de (H/D = 5)]. Con frecuencia, la relación de cinta torcida más pequeña ha establecido un factor de fricción más alto. Un estudio experimental examinó las influencias de la tubería con cinta torcida (TT) y bobina de alambre (WC) en las propiedades del factor de fricción y transferencia de calor usando nanofluido CuO@DW23. El uso de 0.3% en volumen-CuO@DW a Re = 20,000 mejoró la transferencia de calor hasta su valor máximo de 44.45% en un tubo WC-2. Además, al aplicar inserciones de bobina de alambre y cinta retorcida bajo las mismas condiciones de contorno, los factores de fricción aumentaron 1,17 veces y 1,19 veces en comparación con DW. En general, el factor de rendimiento térmico de los nanofluidos con inserciones de bobina de alambre fue mejor que el de las inserciones de cinta retorcida. Se examinó el rendimiento general del flujo de nanofluidos turbulentos (MWCNTs@DW) dentro de una tubería horizontal con alambre en espiral insertado24. Todos los casos tenían un parámetro de rendimiento térmico > 1, lo que indica que la combinación de nanofluidos con inserciones de bobinas de alambre mejoró la transferencia de calor sin consumir energía de bombeo. Se llevaron a cabo experimentos en condiciones de flujo turbulento de nanofluidos de Al2O3 + TiO2@DW sobre las propiedades hidrotermales en un intercambiador de calor de doble tubo con varias inserciones de cinta retorcida con cortes en V modificados (VcTT)25. Nuavg se mejoró significativamente en un porcentaje del 132 %, y el factor de fricción fue de hasta un 55 % en comparación con DW en una tubería básica. Además, se discutió la efectividad exergética del nanocompuesto Al2O3 + TiO2@DW dentro de un intercambiador de calor de doble tubería26. Descubrieron en su investigación que el empleo de Al2O3 + TiO2@DW y TT aumentó la eficiencia exergética en relación con DW. En un intercambiador de calor de tubos concéntricos con un turbulador VcTT, Singh y Sarkar27 utilizaron nanofluidos mono/nanocompuestos dispersos con material de cambio de fase (PCM) (Al2O3@DW con PCM y Al2O3 + PCM). Informaron que la transferencia de calor y la pérdida de presión aumentaron cuando disminuyó la relación de torsión y aumentó la concentración de nanopartículas. Se logró una mayor transferencia de calor y pérdida de presión con una relación de profundidad de corte en V más grande o una relación de ancho más baja. Además, se aplicó grafeno-platino (Gr-Pt) para examinar las tasas de producción de entropía térmica, friccional y total en tubos con inserciones de 2-TT28. Su estudio señaló que un menor porcentaje de (Gr-Pt) disminuyó significativamente la formación de entropía térmica que el desarrollo de entropía friccional relativamente mayor. El nanofluido híbrido Al2O3@MgO y el WC cónico pueden considerarse una buena combinación debido a la relación mejorada (h/Δp) para mejorar las propiedades hidrotermales de un intercambiador de calor de doble tubería29. Se utilizó un modelo numérico para resolver la eficacia ambiental exergoeconómica del intercambiador de calor que tiene varios nanofluidos híbridos tripartitos (THNF) (Al2O3 + Grafeno + MWCNT) suspendidos en DW30. Se deseaba la combinación de inserto de turbulador torcido con hoyuelos (DTTI) y (Al2O3 + grafeno + MWCNT) porque sus criterios de evaluación del rendimiento (PEC) estaban en el rango de 1,42 a 2,35.

Hasta ahora, se ha prestado muy poca atención al papel de la funcionalización covalente y no covalente en el flujo hidráulico en fluidos térmicos. El objetivo específico de este estudio fue comparar el rendimiento termohidráulico de los nanofluidos (GNPs-SDBS@DW) y (GNPs-COOH@DW) dentro de insertos de cinta retorcida con ángulos de hélice de 45 y 90 grados. Las propiedades termofísicas se midieron a estaño = 308 K. Mientras tanto, se tomaron en consideración tres fracciones de masa durante la comparación, tales como (0,025% en peso, 0,05% en peso y 0,1% en peso). Se utilizó el modelo de transporte de esfuerzo cortante (SST k-ω) en turbulencia tridimensional para resolver el comportamiento termohidráulico. Como resultado, al probar el rendimiento y la optimización termohidráulica como fluidos de trabajo prácticos en tales sistemas de ingeniería, este estudio ofrece una contribución significativa a la investigación sobre las propiedades positivas (transferencia de calor) y las propiedades negativas (caída de presión por fricción).

La configuración base es un tubo liso (L = 900 mm y Dh = 20 mm). Las cintas torcidas se insertaron con las dimensiones de (longitud = 20 mm, espesor = 0,5 mm y perfil = 30 mm). Mientras tanto, la longitud, el ancho y la trayectoria del perfil helicoidal fueron de 20 mm, 0,5 mm y 30 mm. La cinta retorcida se inclinó en un ángulo de 45° y 90°. Se probaron diferentes fluidos de trabajo como DW, nanofluidos no covalentes (GNPs-SDBS@DW) y nanofluidos covalentes (GNPs-COOH@DW) dentro de los intercambiadores de calor a Tin = 308 K, tres concentraciones de masa diferentes y diferentes números de Reynolds . Las paredes exteriores de los tubos en espiral se calentaron a una temperatura superficial constante de 330 K para examinar los parámetros de mejora de la transferencia de calor.

La figura 1 ilustra un diseño esquemático de la tubería de inserción de cinta torcida con las condiciones de contorno aplicables y los dominios de cuadrícula. Como se indicó, las condiciones de contorno de velocidad y presión se aplican en las partes de entrada y salida de las tuberías en espiral. La condición antideslizante se aplica a la pared de la tubería bajo una temperatura superficial constante. La solución basada en la presión se utilizó en las simulaciones numéricas actuales. Mientras tanto, se utilizó el programa (ANSYS FLUENT 2020R1) para convertir las ecuaciones diferenciales parciales (PDE) en un sistema de ecuaciones algebraicas utilizando el método de volumen finito (FVM). La metodología SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations-Consistent) de segundo orden correlaciona la velocidad-presión. Debe enfatizarse que la convergencia para el residuo de las ecuaciones de masa, cantidad de movimiento y energía es menor a 103 y 106, respectivamente.

Diagrama esquemático del dominio físico y computacional p; (a) ángulo de hélice de 90°, (b) ángulo de hélice de 45°, (c) hojas sin hélice.

El modelo homogéneo se utiliza para explicar la naturaleza de los nanofluidos. Se forma un fluido continuo con excelentes propiedades termofísicas al agregar nanomateriales al fluido base (DW). En este sentido, la temperatura y la velocidad del fluido base y los nanomateriales tienen los mismos valores. El flujo monofásico efectivo funciona debido a las teorías e hipótesis antes mencionadas en esta investigación. Varios exámenes han confirmado la validez y aplicabilidad de la técnica monofásica para el flujo de nanofluidos31,32.

Se supone que el flujo de nanofluidos es turbulento newtoniano, incompresible y de estado estable. El trabajo de compresión y el calentamiento viscoso no son significativos en esta investigación. Además, no se consideran los espesores de las paredes interna y externa de la tubería. Por lo tanto, las ecuaciones que gobiernan la conservación de la masa, el momento y la energía del modelo térmico se pueden establecer de la siguiente manera33:

Ecuación gobernante para la masa

Ecuación gobernante para el impulso

Ecuación gobernante para el transporte de energía

donde \(\overrightarrow{V}\) es el vector de velocidad media, Keff = K + Kt es la conductividad térmica efectiva de los nanofluidos covalentes y no covalentes, y ϵ es la tasa de disipación de energía. Las propiedades termofísicas efectivas del nanofluido, incluida la densidad (ρ), la viscosidad (μ), la capacidad calorífica específica (Cp) y la conductividad térmica (k) medidas en un estudio experimental34 para una temperatura de 308 K, como se indica en la Tabla 1 se utilizaron en estas simulaciones.

El flujo turbulento de nanofluidos en tuberías planas y TT se simuló numéricamente en la condición de números de Reynolds de 7000 ≤ Re ≤ 17 000. Estos casos de simulación y el coeficiente de transferencia de calor por convección se analizaron mediante la aplicación del modelo de turbulencia κ-ω de transporte de esfuerzo cortante de Mentor (SST), un modelo de turbulencia de Navier-Stokes promediado por Reynolds de dos ecuaciones que se usa comúnmente para la investigación aerodinámica. Además, este modelo funciona sin funciones de pared y es preciso cerca de la pared35,36. Las ecuaciones que gobiernan el modelo de turbulencia (SST) κ-ω son las siguientes:

Viscosidad de remolino cinemático

Energía cinética de turbulencia

Tasa de disipación específica

Coeficientes de cierre y relaciones auxiliares

donde \(S\) es la magnitud de la velocidad de deformación y \(y\) es la distancia a la siguiente superficie. Mientras tanto, \({\alpha }_{1}\), \({\alpha }_{2}\), \({\beta }_{1}\), \({\beta }_{2 }\), \({\beta }^{*}\), \({\sigma }_{{k}_{1}}\), \({\sigma }_{{k}_{2 }}\), \({\sigma }_{{\omega }_{1}}\) y \({\sigma }_{{\omega }_{2}}\) representan todas las constantes del modelo. F1 y F2 se refieren a las funciones de mezcla. Nota: F1 = 1 dentro de la capa límite y 0 en la corriente libre.

Los parámetros de evaluación del rendimiento se utilizan para examinar la transferencia de calor por convección turbulenta, el flujo de nanofluidos covalentes y no covalentes, como31:

número de Reynolds

Número de Prandtl

Ganancia de calor (W)

Coeficiente de transferencia de calor (W/m2. K)

Número medio de Nusselt

Factor de fricción

Pérdida de presión

Ecuación de Dittus-Boelter

Ecuaciones de Petukhov

Ecuación de Gnielinski

Ecuación de Notter-Rouse

Ecuación de Blasius

Rendimiento termohidráulico

En este sentido, (\(\rho\)), (\(v\)), (\({D}_{h}\)) y (\(\mu\)) se utilizan para la densidad, trabajando velocidad del fluido, diámetro hidráulico y viscosidad dinámica. (\({C}_{p}\, \mathrm{and}\, k\)) son la capacidad calorífica específica y la conductividad térmica del fluido que fluye. Además, (\(\dot{m}\)) se refiere al caudal másico y (\({T}_{out}-{T}_{in}\)) simboliza la diferencia de temperatura de entrada/salida. (NF) se refieren a los nanofluidos covalentes y no covalentes, y (DW) se refieren al agua destilada (líquido base). \({A}_{s} = \pi DL\), \({\overline{T} }_{f}=\frac{\left({T}_{out}-{T}_{in }\right)}{2}\) y \({\overline{T} }_{w}=\sum \frac{{T}_{w}}{n}\).

Las propiedades termofísicas del fluido base (DW), los nanofluidos no covalentes (GNPs-SDBS@DW) y los nanofluidos covalentes (GNPs-COOH@DW) se recopilaron de la literatura publicada (estudio experimental) bajo Tin = 308 K, como se muestra en la Tabla 134. En un experimento típico, para producir un nanofluido no covalente (GNP-SDBS@DW) con porcentajes de masa conocidos, inicialmente se pesó un gramo de PNB prístino a través de una balanza digital. Una relación de peso SDBS/PNB prístinas de (0,5:1) suspendida en DW. Mientras tanto, los nanofluidos covalentes (COOH-GNPs@DW) se sintetizaron utilizando un medio ácido fuerte de HNO3 y H2SO4 en una proporción de volumen de (1:3) para agregar grupos carboxilo en la superficie de las GNP. Los nanofluidos covalentes y no covalentes se suspendieron en DW con tres porcentajes de masa diferentes, como 0,025 % en peso, 0,05 % en peso y 0,1 % en peso.

Se realizaron pruebas de independencia de la red en cuatro dominios computacionales diferentes para garantizar que el tamaño de la red no afectara las simulaciones. En el caso de la tubería torcida a 45°, el número de elementos fue de 249 033 para el tamaño de elemento de 1,75 mm, 307 969 para el tamaño de elemento de 2 mm, 421 406 para el tamaño de elemento de 2,25 mm y 564 940 para el tamaño de elemento de 2,5 mm, respectivamente. Además, el número de elementos en el caso de una tubería torcida a 90° fue de 245 531 para un tamaño de elemento de 1,75 mm, 311 584 para un tamaño de elemento de 2 mm, 422 708 para un tamaño de elemento de 2,25 mm y 573 826 para un tamaño de elemento de 2,5 mm, respectivamente. . La precisión de las propiedades térmicas como las lecturas (Tout, htc y Nuavg) aumentó al disminuir la cantidad de elementos. Mientras tanto, la precisión del factor de fricción y los valores de caída de presión mostraron un comportamiento completamente diferente (Fig. 2). Grid (2) se empleó como el dominio de malla principal para evaluar el rendimiento termohidráulico en los casos de simulación.

Pruebas de independencia de la red para las propiedades de transferencia de calor y caída de presión utilizando tuberías torcidas de 45° y 90° para DW.

Los resultados numéricos actuales se verificaron mediante correlaciones y ecuaciones empíricas conocidas, como las de Dittus-Boelter, Petukhov, Gnielinski, Notter-Rouse y Blasius, para las propiedades del factor de fricción y la transferencia de calor. La comparación se realizó bajo la condición de 7000 ≤ Re ≤ 17 000. Según la Fig. 3, los errores promedio y máximo entre los resultados de la simulación y las ecuaciones de transferencia de calor fueron 4,050 % y 5,490 % (Dittus–Boelter), 9,736 % y 11,33 % (Petukhov), 4,007 % y 7,483 % (Gnielinski) y 3,883% y 4,937% (Notter-Rouse). Mientras tanto, los errores promedio y máximo entre los resultados de la simulación y las ecuaciones del factor de fricción fueron 7,346 % y 8,039 % (Blasius) y 8,117 % y 9,002 % (Petukhov).

Transferencia de calor y propiedades de flujo de fluidos de DW en diferentes números de Reynolds utilizando cálculos numéricos y correlaciones empíricas.

Esta sección analiza las propiedades termohidráulicas de los nanofluidos de agua no covalentes (GNPs-SDBS) y covalentes (GNPs-COOH) en tres fracciones de masa diferentes y el número de Reynolds como promedio con respecto al fluido base (DW). En 7000 ≤ Re ≤ 17 000 se discutieron dos geometrías de intercambiadores de calor con cinta torcida con (ángulos de hélice de 45° y 90°). La Figura 4 muestra la temperatura de salida promedio de los nanofluidos al fluido base (DW) (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}} \)) a (0,025% en peso, 0,05% en peso y 0,1% en peso). (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) siempre es menor que 1, lo que significa que la temperatura de salida de nanofluidos no covalentes (GNPs-SDBS) y covalentes (GNPs-COOH) fue menor que la temperatura de salida para el fluido base. La disminución más baja y más alta se logró en 0,1% en peso-COOH@GNPs y 0,1% en peso-SDBS@GNPs, respectivamente. Este fenómeno es causado por un aumento en el número de Reynolds en la fracción de peso constante, lo que provoca un cambio en las características de los nanofluidos (es decir, densidad y viscosidad dinámica).

Temperatura de salida de nanofluidos a fluido base versus números de Reynolds para tubos de 45° y 90°.

Las Figuras 5 y 6 representan las propiedades promedio de transferencia de calor de los nanofluidos al fluido base (DW) a (0,025 % en peso, 0,05 % en peso y 0,1 % en peso). Las propiedades de transferencia de calor promedio siempre son mayores que uno, lo que significa que las propiedades de transferencia de calor de los nanofluidos no covalentes (GNP-SDBS) y covalentes (GNP-COOH) mejoraron en relación con el fluido base. La mejora más baja y más alta se logró con 0,1 % en peso de COOH@GNP y 0,1 % en peso de SDBS@GNP, respectivamente. Las propiedades de transporte de calor mejoraron cuando el número de Reynolds aumentó debido a una mayor mezcla de fluidos y turbulencia en el tubo1. El líquido que corre a través de los pequeños espacios adquiere una mayor velocidad, lo que hace que las capas límite térmicas/velocidad se adelgacen, lo que mejora la tasa de transferencia de calor. Agregar más porcentajes de nanopartículas al fluido base muestra resultados positivos y negativos. Las influencias favorables incluyen una mayor colisión de nanopartículas, conductividad térmica de fluidos y requisitos beneficiosos para el aumento de la transferencia de calor.

Coeficiente de transferencia de calor de nanofluidos a fluido base versus números de Reynolds para tubos de 45° y 90°.

Número promedio de Nusselt de nanofluidos a fluido base versus números de Reynolds para tubos de 45° y 90°.

Mientras tanto, el impacto negativo es el aumento de la viscosidad dinámica del nanofluido, lo que disminuye el movimiento del nanofluido y, por lo tanto, el número de Nusselt promedio (Nuavg). Se supone que el aumento de la conductividad térmica de los nanofluidos (GNPs-SDBS@DW) y (GNPs-COOH@DW) se debe al movimiento browniano y la microconvección de las nanopartículas de grafeno suspendidas en DW37. Los nanofluidos (GNPs-COOH@DW) tenían una conductividad térmica más alta que los nanofluidos (GNPs-SDBS@DW) y el agua destilada. Agregar más porcentajes de nanomateriales al fluido base aumentó su conductividad térmica (Tabla 1)38.

La figura 7 explica el factor de fricción promedio de los nanofluidos al fluido base (DW) (f(NFs)/f(DW)) en los porcentajes de masa de (0,025 %, 0,05 % y 0,1 %). El factor de fricción promedio siempre es ≈ 1, lo que implica que el factor de fricción de los nanofluidos no covalentes (GNPs-SDBS@DW) y covalentes (GNPs-COOH@DW) fue el mismo que el del fluido base. Los intercambiadores de calor con menos espacio crearon más obstrucción del flujo y aumentaron la fricción del flujo1. Principalmente, el factor de fricción aumentó marginalmente junto con el aumento de los porcentajes de masa de nanofluidos. La mayor pérdida por fricción fue causada por el aumento de la viscosidad dinámica del nanofluido y las tensiones de cizallamiento en superficies con porcentajes de masa de nanografeno más altos en el fluido base. De acuerdo con la Tabla (1), la viscosidad dinámica del nanofluido (GNPs-SDBS@DW) fue mayor que la del nanofluido (GNPs-COOH@DW) en porcentajes de peso iguales, debido al impacto de agregar surfactante durante la producción de nanofluidos no covalentes.

Factor de fricción de nanofluidos a fluido base versus números de Reynolds para tubos de 45° y 90°.

La Figura 8 muestra la pérdida de presión promedio de los nanofluidos al fluido base (DW) (\(\frac{{\Delta P}_{NFs}}{{\Delta P}_{DW}}\)) en los porcentajes de masa de (0,025%, 0,05% y 0,1%). Los nanofluidos no covalentes (GNPs-SDBS@DW) demuestran una mayor pérdida de presión promedio y aumentan al aumentar el porcentaje de peso a 2,04 % para 0,025 % en peso, 2,46 % para 0,05 % en peso y 3,44 % para 0,1 % en peso en ambos casos (ángulos de hélice de 45° y 90°). Mientras tanto, los nanofluidos (GNPs-COOH@DW) exhibieron una pérdida de presión promedio más baja, aumentando de 1,31 % para 0,025 % en peso a 1,65 % para 0,05 % en peso. La pérdida de presión promedio para COOH al 0,05 % en peso y COOH al 0,1 % en peso es del 1,65 %. Como se muestra, la caída de presión aumentó en todos los casos por el incremento del número Re. El aumento de la caída de presión en valores altos de Re podría estar justificado por la relación directa con el caudal volumétrico. Por lo tanto, mayores números de Re en los tubos provocan una mayor caída de presión, lo que exige una mayor potencia de bombeo39,40. Además, la mayor pérdida de presión debido a las mayores intensidades de remolino y turbulencia producidas por el área de superficie más grande aumentó la interacción de las fuerzas de presión con las fuerzas de inercia en la capa límite1.

Caídas de presión de nanofluidos a fluido base versus números de Reynolds para tubos de 45° y 90°.

En general, el criterio de evaluación del rendimiento (PEC) de los nanofluidos no covalentes (GNPs-SDBS@DW) y covalentes (GNPs-COOH@DW) se muestra en la Fig. 9. Los nanofluidos (GNPs-SDBS@DW) presentan valores de PEC más altos que (GNPs-COOH@DW) en ambos casos (ángulos de hélice de 45° y 90°) y aumentan aumentando las fracciones de masa como 1,17 para 0,025 % en peso, 1,19 para 0,05 % en peso y 1,26 para 0,1 % en peso. Mientras tanto, el valor de PEC utilizando nanofluidos (GNPs-COOH@DW) es 1,02 para 0,025 % en peso, 1,05 para 0,05 % en peso y 1,02 para 0,1 % en peso en ambos casos (ángulos de hélice de 45° y 90°). Generalmente, a medida que aumenta el número de Reynolds, el factor de rendimiento termohidráulico disminuye considerablemente. La caída en el factor de rendimiento termohidráulico se atribuye sistemáticamente al aumento de (NuNFs/NuDW) y la disminución de (fNFs/fDW) a medida que aumenta el número de Reynolds1.

Rendimiento hidrotermal de nanofluidos a fluido base versus números de Reynolds para tubos de 45° y 90°.

Esta sección analiza las propiedades termohidráulicas del agua (DW), los nanofluidos no covalentes (GNPs-SDBS@DW) y covalentes (GNPs-COOH@DW) en tres concentraciones de peso diferentes y números de Reynolds. Se consideraron dos geometrías de intercambiador de calor con cinta torcida (ángulos de hélice de 45° y 90°) en el rango de 7000 ≤ Re ≤ 17 000 en relación con la tubería simple para evaluar los valores promedio de las propiedades termohidráulicas. La Figura 10 muestra la temperatura de salida del agua y los nanofluidos como un valor promedio usando (ángulos de hélice de 45° y 90°) a la tubería simple (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{ {T}_{fuera}}_{Normal}}\)). Los nanofluidos no covalentes (GNPs-SDBS@DW) y covalentes (GNPs-COOH@DW) estaban en tres fracciones de masa diferentes, como 0,025 % en peso, 0,05 % en peso y 0,1 % en peso. Como se ilustra en la Fig. 11, los valores promedio de la temperatura de salida (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{{T}_{out}}_{Plain}}\)) son > 1, lo que indica que la temperatura de salida de los intercambiadores de calor (ángulos de hélice de 45° y 90°) fue más significativa que el valor de la temperatura de salida para la tubería simple debido a una intensidad de turbulencia más vigorosa y una mejor mezcla de fluidos. Además, a medida que aumenta el número de Reynolds, disminuye la temperatura de salida de los nanofluidos DW, no covalentes y covalentes. El fluido base (DW) tiene los valores de temperatura de salida promedio más altos. Mientras tanto, el valor más bajo está dedicado al 0,1% en peso-SDBS@GNP. Los nanofluidos no covalentes (GNPs-SDBS@DW) muestran una temperatura de salida promedio más baja en relación con los nanofluidos covalentes (GNPs-COOH@DW). A medida que el campo de flujo se mezcla más como resultado de la cinta retorcida, el flujo de calor de la pared puede pasar más fácilmente a través del flujo de fluido, elevando la temperatura general. Los valores de relación de cinta torcida más pequeños dan como resultado una mejor penetración, lo que mejora la transmisión de calor. La cinta retorcida, por otro lado, parece mantener una temperatura más baja cerca de la pared, lo que a su vez eleva el Nuavg. Con inserciones de cinta retorcida, un Nuavg más alto indica una mejor transmisión de calor por convección a través del tubo22. El aumento del tiempo de residencia debido a la trayectoria de flujo elevada con mezcla adicional y la creación de turbulencias provocan un aumento en la temperatura de salida del fluido41.

Temperatura de salida de (ángulos de hélice de 45° y 90°) en relación con la tubería simple frente a los números de Reynolds para diferentes nanofluidos.

Coeficiente de transferencia de calor de (ángulos de hélice de 45° y 90°) en relación con la tubería simple frente a los números de Reynolds para diferentes nanofluidos.

Los principales mecanismos de mejora de la transferencia de calor debido a la cinta torcida son los siguientes: 1. La reducción del diámetro hidráulico de un tubo de transferencia de calor genera un aumento en la velocidad y la curvatura del flujo, lo que a su vez aumenta el esfuerzo cortante cerca de la pared y promueve el movimiento secundario. 2. La velocidad aumenta cerca de la pared del tubo debido a la cinta retorcida bloqueada, lo que reduce el espesor de la capa límite. 3. El flujo helicoidal que sigue a la cinta retorcida provoca un aumento de velocidad. 4. El flujo giratorio inducido mejora la mezcla de fluidos entre el núcleo y las áreas de flujo cercanas a la pared42. Las figuras 11 y 12 muestran las propiedades de transferencia de calor tales como (coeficiente de transferencia de calor y número de Nusselt promedio) de DW y nanofluidos como un valor promedio utilizando tuberías con insertos de cinta torcida en relación con la tubería simple. Los nanofluidos no covalentes (GNPs-SDBS@DW) y covalentes (GNPs-COOH@DW) estaban en tres fracciones de masa diferentes, como 0,025 % en peso, 0,05 % en peso y 0,1 % en peso. En ambos intercambiadores de calor (ángulos de hélice de 45° y 90°), los valores promedio de las propiedades de transferencia de calor son > 1, lo que indica una mejora del coeficiente de transferencia de calor y el número de Nusselt promedio al usar tuberías torcidas en comparación con las tuberías simples. Los nanofluidos no covalentes (GNPs-SDBS@DW) muestran una mejora promedio de transferencia de calor más alta que los nanofluidos covalentes (GNPs-COOH@DW). El aumento más alto en las propiedades de transferencia de calor se alcanzó con un 0,1 % en peso de SDBS@GNP con un valor de 1,90 en ambos intercambiadores de calor (ángulos de hélice de 45° y 90°) a Re = 900. Esto significa que el papel del TT uniforme en el aumento de la intensidad de la turbulencia es mucho más importante a las velocidades más bajas del fluido (números de Reynolds)43. El coeficiente de transferencia de calor y el número de Nusselt promedio en las tuberías TT son más altos que en una tubería simple debido a la inducción de múltiples flujos de remolino, lo que da como resultado una capa límite más delgada. Comparación con la tubería básica (sin inserciones de cinta torcida), si la existencia de TT produce una mayor intensidad de turbulencia, mezcla de flujo de fluidos de trabajo y mejora de la transferencia de calor21.

Número de Nusselt promedio de (ángulos de hélice de 45° y 90°) en relación con la tubería simple versus números de Reynolds para diferentes nanofluidos.

Las Figuras 13 y 14 presentan el factor de fricción promedio (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain}}\)) y la pérdida de presión (\(\frac{{\Delta P}_ {Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\)) de intercambiadores de calor de 45° y 90° en relación con la tubería simple usando nanofluidos DW, (GNPs-SDBS@DW) y (GNPs-COOH@DW) con (0,025% en peso, 0,05% en peso y 0,1% en peso). Se puede observar a partir de las Figs. 13 y 14, a medida que aumenta el número de Reynolds en ambos intercambiadores de calor (ángulos de hélice de 45° y 90°), la relación del factor de fricción (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain} }\)) y la pérdida de presión (\(\frac{{\Delta P}_{Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\)) disminuye. Para todos los escenarios evaluados, el factor de fricción y los valores de pérdida de presión son superiores a números de Reynolds más bajos. El factor de fricción promedio y la pérdida de presión están entre 3,78 y 3,12. El factor de fricción promedio y la pérdida de presión muestran que el valor de los intercambiadores de calor (ángulos de hélice de 45° y 90°) ha aumentado tres veces más que el de la tubería simple. Además, al fluir a una mayor velocidad del fluido de trabajo, el factor de fricción disminuye. Este problema se debe a que, al elevar el número de Reynolds, el espesor de la capa límite disminuye, provocando una reducción en la influencia del área afectada por la viscosidad dinámica y una disminución del gradiente de velocidad y del esfuerzo cortante, y, por lo tanto, reduce el factor de fricción21. La mejora del efecto de bloqueo debido a la existencia de TT y el aumento de los flujos turbulentos produce una pérdida de presión mucho mayor para la tubería TT no uniforme que las básicas. Además, tanto para la tubería básica como para la TT, se puede ver que la caída de presión aumenta al aumentar la velocidad de los fluidos de trabajo43.

Factor de fricción de (ángulos de hélice de 45° y 90°) en relación con la tubería simple frente a los números de Reynolds para diferentes nanofluidos.

Pérdida de presión de (ángulos de hélice de 45° y 90°) en relación con la tubería simple frente a los números de Reynolds para diferentes nanofluidos.

En general, la Fig. 15 ilustra el criterio de evaluación del desempeño (PEC) de los intercambiadores de calor de 45° y 90° en relación con la tubería simple (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\ )) usando DW, (GNPs-SDBS@DW) y nanofluidos covalentes (GNPs-COOH@DW) en (0.025% en peso, 0.05% en peso y 0.1% en peso). El valor para (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) es > 1 en ambos casos (ángulos de hélice de 45° y 90°) intercambiadores de calor. Además, el mejor valor de (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) se alcanza en Re = 11.000. El intercambiador de calor con ángulo de 90° mostró un aumento modesto (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) valores en comparación con el intercambiador de calor con ángulo de 45° . Además, en Re = 11 000, 0,1 % en peso de GNPs@SDBS indica un valor más alto (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)), como 1,25 para Intercambiador de calor de ángulo de 45° y 1,27 para intercambiador de calor de ángulo de 90°. Es mayor que la unidad en todos los porcentajes de fracción de masa, lo que indica que la tubería con insertos de cinta torcida supera a la tubería simple. Se observa que el aumento de la transferencia de calor proporcionado por los insertos de cinta da como resultado una pérdida por fricción significativamente mayor22.

Criterio de evaluación del rendimiento de (ángulos de hélice de 45° y 90°) en relación con la tubería simple frente a los números de Reynolds para diferentes nanofluidos.

El Apéndice A muestra las líneas de flujo de velocidad de los intercambiadores de calor de 45° y 90° que utilizan DW, 0,1% en peso de PNB-SDBS@DW y 0,1% en peso de PNB-COOH@DW a Re = 7000. Las líneas de flujo en el Los planos transversales son las características más notables del impacto de los insertos de cinta retorcida en el flujo principal. Las aplicaciones de los intercambiadores de calor de 45° y 90° ilustraron aproximadamente la misma velocidad en las regiones cercanas a la pared. Mientras tanto, el Apéndice B ilustra los contornos de velocidad de los intercambiadores de calor de 45° y 90° que utilizan DW, 0,1% en peso-PIB-SDBS@DW y 0,1% en peso-PIB-COOH@DW a Re = 7000. Los contornos de velocidad fueron en tres ubicaciones separadas (rebanadas) como Plain-1 (P1 = −30 mm), Plain-4 (P4 = 60 mm) y Plain-7 (P7 = 150 mm). La velocidad más baja está cerca de la pared de la tubería y la velocidad del fluido aumenta en la dirección del centro de la tubería. Además, moverse a través de la tubería aumenta las zonas de baja velocidad junto a la pared. Esto se debe al crecimiento de las capas límite hidrodinámicas, lo que aumenta el espesor de la zona de baja velocidad junto a la pared. Además, el aumento del número de Reynolds mejora el nivel de velocidad total en todas las secciones transversales, reduciendo el espesor de las zonas de baja velocidad a través de la tubería39.

Se evaluaron nanoplaquetas de grafeno funcionalizadas covalente y no covalente dentro de insertos de cinta retorcida con ángulos de hélice de 45 ° y 90 °. Los intercambiadores de calor se resolvieron numéricamente mediante modelos de turbulencia SST k-omega en 7000 ≤ Re ≤ 17,000. Las propiedades termofísicas se calcularon a Tin = 308 K. Al mismo tiempo, las paredes de la tubería torcida se calentaron a una temperatura constante de 330 K. (GNPs-SDBS@DW) y (GNPs-COOH@DW) nanofluidos en tres diluciones en masa tales como (0,025% en peso, 0,05% en peso y 0,1% en peso). La investigación actual considera seis factores principales: temperatura de salida, coeficiente de transferencia de calor, número de Nusselt promedio, factor de fricción, pérdida de presión y criterio de evaluación del desempeño. Los siguientes son los hallazgos clave:

La temperatura de salida promedio (\({{T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) siempre es menor que 1, lo que significa que el la temperatura de salida de los nanofluidos no covalentes (GNPs-SDBS@DW) y covalentes (GNPs-COOH@DW) fue menor que la temperatura de salida del fluido base. Mientras tanto, los valores de temperatura de salida promedio (\({{T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\)) son > 1, lo que indica que la temperatura de salida de (ángulos de hélice de 45° y 90°) fue más sustancial que el valor de la temperatura de salida para la tubería simple.

En ambos casos, el promedio (Nanofluids/Basefluids) y (Twisted pipe/Plain pipe) de las propiedades de transferencia de calor siempre muestran > 1. Los nanofluidos no covalentes (GNPs-SDBS@DW) mostraron un aumento de transferencia de calor promedio más alto correspondiente a covalente ( GNPs-COOH@DW) nanofluidos.

El factor de fricción promedio (\({f}_{Nanofluids}/{f}_{Basefluid}\)) de nanofluidos no covalentes (GNPs-SDBS@DW) y covalentes (GNPs-COOH@DW) es siempre ≈ 1 Mientras tanto, el factor de fricción promedio (\({f}_{Twisted}/{f}_{Plain}\)) de nanofluidos no covalentes (GNPs-SDBS@DW) y covalentes (GNPs-COOH@DW) es siempre > 3.

En ambos casos (ángulos de hélice de 45° y 90°), los nanofluidos (GNPs-SDBS@DW) mostraron una mayor (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) de 2,04 % para 0,025 % en peso, 2,46 % para 0,05 % en peso y 3,44 % para 0,1 % en peso Mientras tanto, los nanofluidos (GNPs-COOH@DW) mostraron menores (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) de 1,31 % para 0,025 % en peso a 1,65 % para 0,05% en peso. Además, la pérdida de presión promedio (\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\)) de no covalentes (GNPs-SDBS@DW) y covalentes (GNPs-COOH@DW ) nanofluidos es siempre > 3.

En ambos casos (ángulos de hélice de 45° y 90°), los nanofluidos (GNPs-SDBS@DW) presentaron valores más altos de (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\)) que (GNPs-COOH @DW), como 1,17 para 0,025 % en peso, 1,19 para 0,05 % en peso y 1,26 para 0,1 % en peso. Mientras tanto, el valor de (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\)) usando nanofluidos (GNPs-COOH@DW) fue 1,02 para 0,025 % en peso, 1,05 para 0,05 % en peso y 1,02 para 0,1% en peso. Además, en Re = 11 000, 0,1 % en peso de GNPs@SDBS muestra el valor más alto (\({PEC}_{Twisted}/{PEC}_{Plain}\)), como 1,25 para un ángulo de hélice de 45° y 1,27 para un ángulo de hélice de 90°.

Todos los datos generados o analizados durante el estudio actual se incluyen en este artículo publicado.

Plata

Oxido de aluminio

Superficie del tubo (m2)

Carboximetilcelulosa

Ácido carboxílico

Capacidad calorífica específica (J/kg·K)

Cobre

Óxido de cobre

Tubo diámetro hidráulico (mm)

Inserto de turbulador torcido con hoyuelos

Agua destilada

Factor de fricción

Hierro

Método de volumen finito

Nanoplaquetas de grafeno

Óxido de grafeno

Grafeno

Relación de cinta torcida

Ácido sulfúrico

Ácido nítrico

Coeficiente de transferencia de calor (W/m2. K)

Conductividad térmica (W/m·K)

Conductividad térmica efectiva (W/m·K)

Longitud del tubo (mm)

Caudal másico (kg/s)

Óxido de magnesio

Nanotubos de carbono de pared múltiple

Número medio de Nusselt

material de cambio de fase

Criterios de evaluación del desempeño

Número de Prandtl

Platino

Ganancia de calor (W)

número de Reynolds

Dodecilbencenosulfonato de sodio

Cintas retorcidas puntiagudas

Temperatura a granel (K)

Nanofluidos híbridos tripartitos

Temperatura del fluido de entrada (K)

Dióxido de titanio

Temperatura del fluido de salida (K)

Temperatura de la superficie de la pared (K)

Velocidad del fluido de trabajo (m/s)

Cinta retorcida con cortes en V

Bobina de alambre

Concentración en peso de nanopartículas

Caída de presión (Pa)

Tasa de disipación de energía (m2/s3)

Viscosidad dinámica (Ns/m2)

Densidad (kg/m3)

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Los autores desean manifestar su aprecio y gratitud a los respetados revisores y editores por sus comentarios constructivos. Además, al primer autor le gustaría agradecer el apoyo recibido del Laboratorio clave de Nanchang de tecnología de visualización de información de Internet de las cosas (Subvención No. 2020-NCZDSY-017). Además, los autores agradecen el apoyo recibido por el Colegio Universitario Al-Mustaqbal (Número de concesión: MUC-E-0122). Finalmente, un admirable agradecimiento a la Universidad Rey Fahd de Petróleo y Minerales, por su apoyo técnico.

Facultad de Inteligencia Artificial, Instituto de Ciencia y Tecnología de Nanchang, Nanchang, China

tienes tao

Escuela de Computación e Información, Universidad Normal de Qiannan para Nacionalidades, Duyun, Guizhou, 558000, China

tienes tao

Instituto de Análisis de Big Data e Inteligencia Artificial (IBDAAI), Universiti Teknologi MARA, 40450, Shah Alam, Selangor, Malasia

tienes tao

Departamento de Termofluidos, Escuela de Ingeniería Mecánica, Universiti Teknologi Malaysia (UTM), Skudai, 81310, Johor Bahru, Malasia

Omar A. Alawi

Departamento de ingeniería de control de sistemas petroleros, Facultad de ingeniería de procesos petroleros, Universidad de Tikrit, Tikrit, Iraq

Omar A. Hussein

Takasago i-Kohza, Instituto Internacional de Tecnología Malasia-Japón, Universiti Teknologi Malaysia, Kuala Lumpur, Malasia

Waqar Ahmed y Ali H. Abdelrazek

Departamento de Ingeniería de Petróleo y Gas, Universidad de Petróleo y Gas de Basora, Basora, Iraq

Raad Z. Homod

Facultad de Física, Ingeniería e Informática, Universidad de Hertfordshire, Hatfield, AL10 9AB, Reino Unido

Mahmud Eltaweel

Departamento de ingeniería de técnicas de construcción y construcción, AL-Mustaqbal University College, Hillah, 51001, Iraq

Mayadah W. Falah

Ingeniería Civil, Ambiental y de Recursos Naturales, Universidad Tecnológica de Lulea, 97187, Lulea, Suecia

Nadhir Al Ansari

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad King Fahd de Petróleo y Minerales, Dhahran, 31261, Arabia Saudita

Zaher Mundher Yaseen

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Correspondencia con Zaher Mundher Yaseen.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Líneas aerodinámicas de velocidad de intercambiadores de calor de 45° y 90° que usan DW, 0,1% en peso de GNP-SDBS@DW y 0,1% en peso de GNP-COOH@DW a Re = 7000.

Contornos de velocidad de intercambiadores de calor de 45° y 90° que utilizan DW, 0,1% en peso de PNB-SDBS@DW y 0,1% en peso de PNB-COOH@DW a Re = 7000.

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Tao, H., Alawi, OA, Hussein, OA et al. Análisis termohidráulico de nanoplaquetas de grafeno funcionalizado covalente y no covalente en tubo circular equipado con turbuladores. Informe científico 12, 17710 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22315-9

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Recibido: 26 Agosto 2022

Aceptado: 12 de octubre de 2022

Publicado: 21 de octubre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22315-9

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