Análise termohidráulica de nanoplaquetas de grafeno funcionalizado covalente e não covalente em tubo circular equipado com turbuladores

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 17710 (2022) Citar este artigo

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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 7000 ≤ Re ≤ 17.000, e as propriedades termofísicas foram avaliadas a 308 K. O modelo físico foi resolvido numericamente por meio de um modelo de viscosidade turbulenta de duas equações (turbulência SST k-ômega). Os 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 a uma temperatura constante de 330 K. O presente estudo considerou seis parâmetros: temperatura de saída, coeficiente de transferência de calor, número de Nusselt médio, fator de atrito, perda de carga e critério de avaliação de desempenho. Em ambos os casos (ângulos de hélice de 45° e 90°), os nanofluidos GNPs-SDBS@DW apresentaram maior desempenho termo-hidráulico do que 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 usados ​​para transportar calor durante as 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 aprimoramento de 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 da fita torcida é uma das formas mais bem-sucedidas de aumentar 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 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)17. O coeficiente de transferência de calor do STT aumentou 11 e 67% em comparação com o tubo básico. O arranjo SST foi o melhor custo-benefício com base no fator de desempenho, com os parâmetros de α = β = 0,33. Além disso, um aumento de 18,2% foi observado 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@DW18. O número de Nusselt médio máximo (Nuavg) e a perda de pressão foram observados sob Re = 20.000 quando a bobina de fio de passo = 25 mm e nanofluidos de 1,6%-Al2O3@DW em volume. Estudos de laboratório 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 inserções de WC19. De acordo com os resultados, 0,12 volume%-GO@DW aumentou o coeficiente de transferência de calor por convecção em cerca de 77%. Um estudo experimental adicional desenvolvido nanofluido (TiO2@DW), examinando desempenhos termo-hidráulicos de tubos ondulados equipados com inserções de fita torcida20. A maior eficiência termo-hidráulica de 1,258 foi alcançada usando 0,15% de volume-TiO2@DW em uma cavidade inclinada de 45° e embutida com uma proporção de fita torcida de 3,0. Os modelos de simulação monofásica e bifásica (mista) resolveram o fluxo de nanofluido CuO@DW e a transferência de calor nas várias concentrações sólidas (1–4% em volume%)21. 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% de volume). O fluxo de nanofluido turbulento não newtoniano de carboximetilcelulose (CMC) e óxido de cobre (CuO) foi examinado em um tubo básico e um tubo com inserções torcidas22. Nuavg demonstrou melhorias como 16,1% (para tubo básico) e 60% [para um tubo torcido com uma relação de (H/D = 5)]. Freqüentemente, a menor proporção de fita torcida estabeleceu um fator de fricção mais alto. Um estudo experimental examinou as influências do tubo com fita torcida (TT) e bobina de fio (WC) na transferência de calor e nas propriedades do fator de fricção usando o nanofluido CuO@DW23. Usando 0,3volume%-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, aplicando 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 de nanofluidos com inserções de bobina de fio foi melhor do que para inserções de fita torcida. O desempenho geral do fluxo nanofluido turbulento (MWCNTs@DW) foi examinado dentro de um tubo horizontal com fio enrolado inserido24. Todos os casos tiveram um parâmetro de desempenho térmico > 1, indicando que a combinação de nanofluidos com inserções de bobina de fio melhorou a transferência de calor sem consumir energia de bombeamento. Experimentos sob condições turbulentas de fluxo de nanofluido Al2O3 + TiO2@DW foram realizados em propriedades hidrotérmicas em um trocador de calor de tubo duplo com várias inserções de fita torcida com cortes em V modificados (VcTT)25. O Nuavg foi aprimorado significativamente na 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 em um trocador de calor de tubo duplo26. Eles descobriram em suas pesquisas que empregar 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 de 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. Mais transferência de calor e perda de pressão foram alcançadas com uma maior taxa de profundidade de corte em V ou uma menor taxa de largura. Além disso, grafeno-platina (Gr-Pt) foi aplicado para examinar as taxas de produção de entropia térmica, friccional e total em tubos com inserções de 2-TT28. Seu estudo observou que uma porcentagem menor de (Gr-Pt) diminuiu significativamente a formação de entropia térmica do que o desenvolvimento de entropia friccional relativamente maior. O nanofluido híbrido Al2O3@MgO e o WC cônico podem ser considerados uma boa mistura devido à proporção aprimorada (h/Δp) para melhorar as propriedades hidrotérmicas de um trocador de calor de tubo duplo29. Um modelo numérico foi usado para resolver a eficácia ambiental exergo-econômica do trocador de calor com vários nanofluidos híbridos tripartidos (THNF) (Al2O3 + Grafeno + MWCNTs) suspensos em DW30. A combinação de inserto de turbulador torcido e ondulado (DTTI) e (Al2O3 + Grafeno + MWCNTs) era desejada porque seu critério de avaliação de desempenho (PEC) estava na faixa de 1,42–2,35.