Análisis termohidráulico de nanoplaquetas de grafeno funcionalizadas covalentes y no covalentes en un tubo circular equipado con turbuladores

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

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 mediante un modelo de viscosidad turbulenta de dos ecuaciones (turbulencia SST k-omega). En este estudio se consideraron 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 las tuberías retorcidas 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 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 promotores de turbulencia2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 y nanofluidos12,13,14,15. Debido a su simplicidad de mantenimiento y bajo costo, la inserción de cinta retorcida 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 inserciones 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 con puntas (STT)17. El coeficiente de transferencia de calor de STT ha aumentado entre un 11 y un 67 % en comparación con la tubería básica. La disposición SST fue la más rentable según el factor de rendimiento, con los parámetros de α = β = 0,33. Además, se observó un aumento del 18,2 % utilizando Ag@DW, aunque el mayor aumento en la pérdida de presión fue solo del 8,5 %. Las características físicas de transferencia de calor y pérdida de presión en un tubo concéntrico con y sin turbuladores de bobina de alambre (WC) se exploraron utilizando un flujo de nanofluido turbulento de convección forzada 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 de nanofluidos de Al2O3@DW. 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 inserciones de WC19. Según los resultados, 0,12% en volumen-GO@DW aumentó el coeficiente de transferencia de calor por convección en aproximadamente un 77%. En un estudio experimental adicional se desarrolló un nanofluido (TiO2@DW), examinando el rendimiento termohidráulico de tubos con hoyuelos equipados con inserciones de cinta retorcida20. La mayor eficiencia termohidráulica de 1,258 se logró utilizando 0,15% en volumen de TiO2@DW en un hoyuelo inclinado a 45° e incrustado con una proporción de cinta retorcida 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 distintas concentraciones de sólidos (1–4% en volumen%)21. La eficiencia térmica máxima en un tubo con una inserción de cinta retorcida fue de 2,18, pero fue de 2,04 en un tubo con dos inserciones de cinta retorcida en los mismos términos (modelo bifásico, Re = 36.000 y 4% en volumen). Se examinó el flujo turbulento de nanofluidos no newtoniano de carboximetilcelulosa (CMC) y óxido de cobre (CuO) en una tubería básica y en una tubería con inserciones retorcidas22. Nuavg demostró mejoras como 16,1% (para tubería básica) y 60% [para 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 una tubería con cinta retorcida (TT) y una bobina de alambre (WC) en las propiedades de transferencia de calor y factor de fricción utilizando 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 bobinas de alambre y cinta retorcida en las mismas condiciones límite, 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 bobinas de alambre fue mejor que el de las inserciones de cintas retorcidas. El rendimiento general del flujo turbulento de nanofluidos (MWCNTs@DW) se examinó dentro de una tubería horizontal con un alambre enrollado 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 turbulentas de flujo de nanofluidos de Al2O3 + TiO2@DW sobre propiedades hidrotermales en un intercambiador de calor de doble tubo que tenía varias inserciones de cinta retorcida con cortes en V modificados (VcTT)25. Nuavg mejoró significativamente en un porcentaje del 132 % y el factor de fricción fue de hasta el 55 % en comparación con el DW en una tubería básica. Además, se discutió la efectividad exergética del nanocompuesto Al2O3 + TiO2@DW dentro de un intercambiador de calor de doble tubo26. En su investigación encontraron que el empleo de Al2O3 + TiO2@DW y TT aumentaba la eficiencia exergética en relación con DW. En un intercambiador de calor de tubos concéntricos que tenía un turbulador VcTT, Singh y Sarkar27 utilizaron nanofluidos mono/nanocompuestos dispersos de material de cambio de fase (PCM) (Al2O3@DW con PCM y Al2O3 + PCM). Informaron que la transferencia de calor y la pérdida de presión aumentaban cuando la relación de torsión disminuía y la concentración de nanopartículas aumentaba. Se logró una mayor transferencia de calor y pérdida de presión con una mayor relación de profundidad de corte en V o una menor relación de ancho. Además, se aplicó grafeno-platino (Gr-Pt) para examinar las tasas de producción de entropía térmica, de fricción y total en tubos con inserciones de 2-TT28. Su estudio señaló que un menor porcentaje de (Gr-Pt) disminuía significativamente la formación de entropía térmica que un desarrollo relativamente mayor de entropía friccional. 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 tubo29. Se utilizó un modelo numérico para resolver la efectividad ambiental exergoeconómica de un intercambiador de calor que tiene varios nanofluidos híbridos tripartitos (THNF) (Al2O3 + grafeno + MWCNT) suspendidos en DW30. Se deseaba la combinación de inserto turbulador retorcido con hoyuelos (DTTI) y (Al2O3 + grafeno + MWCNT) porque sus criterios de evaluación del desempeño (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 nanofluidos (GNPs-SDBS@DW) y (GNPs-COOH@DW) dentro de insertos de cinta retorcida con ángulos de hélice de 45 grados y 90 grados. Las propiedades termofísicas se midieron a Estaño = 308 K. Mientras tanto, se tuvieron en cuenta tres fracciones de masa durante la comparación, tales como (0,025% en peso, 0,05% en peso y 0,1% en peso). Para resolver el comportamiento termohidráulico se utilizó el modelo de transporte de esfuerzos cortantes (SST k-ω) en turbulencia tridimensional. Como resultado, al demostrar el rendimiento y la optimización térmico-hidráulico como fluidos de trabajo prácticos en dichos sistemas de ingeniería, este estudio ofrece una contribución significativa a la investigación sobre las propiedades positivas (transferencia de calor) y negativas (caída de presión por fricción).

La configuración base es un tubo liso (L = 900 mm y Dh = 20 mm). Las cintas retorcidas 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 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 del tubo de inserción de cinta retorcida con las condiciones de contorno y dominios de cuadrícula aplicables. Como se señaló, las condiciones límite de velocidad y presión se aplican en las partes de entrada y salida de los tubos 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 volúmenes finitos (FVM). La metodología SIMPLE de segundo orden (Método semiimplícito para ecuaciones vinculadas a la presión-consistente) correlaciona la velocidad-presión. Cabe enfatizar que la convergencia para el residuo de las ecuaciones de masa, momento y energía es menor que 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 añadiendo 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 newtoniano turbulento, incompresible y de estado estacionario. El trabajo de compresión y el calentamiento viscoso no son significativos en esta investigación. Además, no se consideran los espesores de las paredes interior y exterior de la tubería. Por lo tanto, las ecuaciones que rigen la conservación de masa, momento y energía del modelo térmico pueden expresarse de la siguiente manera33:

Ecuación rectora de la masa

Ecuación rectora del impulso

Ecuación rectora del transporte de energía

donde \(\overrightarrow{V}\) es el vector de velocidad media, Keff = K + Kt es la conductividad térmica efectiva de 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 enumera en la Tabla 1 se utilizaron en estas simulaciones.

El flujo turbulento de nanofluidos en tuberías simples 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 aplicando el modelo de turbulencia Mentor Shear Stress Transport (SST) κ-ω, 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 tiene precisión cerca de la pared35,36. El modelo de turbulencia (SST) κ-ω que rige las ecuaciones es el siguiente:

Viscosidad cinemática de Foucault

Energía cinética de turbulencia

Tasa de disipación específica

Coeficientes de cierre y relaciones auxiliares.

donde \(S\) es la magnitud de la tasa 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 convectiva turbulenta y el flujo de nanofluidos covalentes y no covalentes, tales 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 Petujov

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. (\({C}_{p}\, \mathrm{y}\, k\)) 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 salida/entrada. (NF) se refieren a los nanofluidos covalentes y no covalentes, y (DW) se refieren al agua destilada (fluido 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 obtuvieron de la literatura publicada (estudio experimental) bajo Estaño = 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 cierto gramo de PNB prístino mediante una balanza digital. Una relación en peso de SDBS/PNB prístino 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 los 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 ejecutaron 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 249.033 para un tamaño de elemento de 1,75 mm, 307.969 para un tamaño de elemento de 2 mm, 421.406 para un tamaño de elemento de 2,25 mm y 564.940 para un 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 lecturas de propiedades térmicas como (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). Se empleó la cuadrícula (2) como dominio de malla principal para evaluar el rendimiento termohidráulico en los casos de simulación.

Ensayos de independencia de red para propiedades de transferencia de calor y caída de presión utilizando tuberías torcidas a 45° y 90° para DW.

Los resultados numéricos actuales se verificaron utilizando correlaciones y ecuaciones empíricas conocidas como las de Dittus-Boelter, Petukhov, Gnielinski, Notter-Rouse y Blasius para las propiedades del factor de fricción y 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).

Propiedades de transferencia de calor y flujo de fluidos de DW con diferentes números de Reynolds mediante cálculos numéricos y correlaciones empíricas.

Esta sección analiza las propiedades termohidráulicas de los nanofluidos de agua basados en no covalentes (GNP-SDBS) y covalentes (GNP-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 analizaron dos geometrías de intercambiadores de calor de cinta retorcida con (ángulos de hélice de 45° y 90°). La Figura 4 muestra la temperatura promedio de salida de los nanofluidos al fluido base (DW) (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}} \)) al (0,025% en peso, 0,05% en peso y 0,1% en peso). (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) es siempre menor que 1, lo que significa que la temperatura de salida de Los nanofluidos no covalentes (GNP-SDBS) y covalentes (GNP-COOH) fueron inferiores a la temperatura de salida del fluido base. La disminución más baja y más alta se logró con 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 del nanofluido (es decir, densidad y viscosidad dinámica).

Temperatura de salida de nanofluidos al 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) al (0,025% en peso, 0,05% en peso y 0,1% en peso). Las propiedades promedio de transferencia de calor son siempre 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 -COOH@GNPs y 0,1% en peso-SDBS@GNPs, 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 obtiene una mayor velocidad, lo que hace que las capas límite de velocidad/termal se adelgacen, mejorando así la tasa de transferencia de calor. Agregar más porcentajes de nanopartículas al fluido base presenta 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 al fluido base versus números de Reynolds para tubos de 45° y 90°.

Número de Nusselt promedio 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 tanto, el número medio de Nusselt (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 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 porcentajes de masa de (0,025%, 0,05% y 0,1%). El factor de fricción promedio es siempre ≈ 1, lo que implica que el factor de fricción de los nanofluidos no covalentes (GNPs-SDBS@DW) y covalentes (GNPs-COOH@DW) era el mismo que el del fluido base. Los intercambiadores de calor con menos espacio crearon más obstrucción del flujo y mayor 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 una mayor viscosidad dinámica de los nanofluidos y tensiones de corte en superficies con mayores porcentajes de masa de nanografeno en el fluido base. Según 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 con 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 al 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 menor pérdida de presión promedio, aumentando del 1,31% para 0,025% en peso al 1,65% para 0,05% en peso. La pérdida de presión promedio para 0,05% en peso-COOH@GNP y 0,1% en peso-COOH@GNP es 1,65%. Como se muestra, la caída de presión aumentó en todos los casos según el incremento del número Re. La mayor caída de presión en valores altos de Re podría justificarse por la relación directa con el caudal volumétrico. Por lo tanto, números de Re más altos en los tubos provocan una mayor caída de presión, lo que exige una mayor potencia de bombeo39,40. Además, una mayor pérdida de presión debido a mayores intensidades de remolino y turbulencia producidas por la mayor superficie aumentó la interacción de las fuerzas de presión con las fuerzas de inercia en la capa límite1.

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

En general, el criterio de evaluación del desempeño (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 se elevan 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 aumentaba el número de Reynolds, el factor de rendimiento termohidráulico disminuía considerablemente. La caída sistemática del factor de rendimiento termohidráulico se atribuye al aumento de (NuNFs/NuDW) y a 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 de los nanofluidos de agua (DW), no covalentes (GNPs-SDBS@DW) y covalentes (GNPs-COOH@DW) en tres concentraciones de peso y números de Reynolds diferentes. 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 (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{ {T}_{out}}_{Simple}}\)). 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. Como se ilustra en la Fig. 11, los valores promedio de 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, la temperatura de salida de los nanofluidos DW, no covalentes y covalentes disminuye. 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 más pequeños de relación de cinta torcida dan como resultado una mejor penetración, lo que mejora la transmisión de calor. Por otro lado, se ve que la cinta retorcida mantiene una temperatura más baja cerca de la pared, lo que a su vez eleva 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 creación de turbulencias, da como resultado 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 versus números de Reynolds para diferentes nanofluidos.

Coeficiente de transferencia de calor (ángulos de hélice de 45° y 90°) en relación con una tubería simple versus números de Reynolds para diferentes nanofluidos.

Los principales mecanismos de mejora de la transferencia de calor debido a la cinta retorcida son los siguientes: 1. La disminución del diámetro hidráulico de un tubo de transferencia de calor genera un aumento en la velocidad del flujo y la curvatura, lo que a su vez aumenta la tensión 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 las áreas de flujo del núcleo y cercanas a la pared42. Las Figuras 11 y 12 mostraron las propiedades de transferencia de calor, 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 retorcida 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 usando tuberías torcidas en comparación con tuberías simples. Los nanofluidos no covalentes (GNPs-SDBS@DW) muestran una mayor mejora promedio en la transferencia de calor que los nanofluidos covalentes (GNPs-COOH@DW). El mayor aumento en las propiedades de transferencia de calor se alcanzó con 0,1 % en peso-SDBS@GNP con un valor de 1,90 en ambos intercambiadores de calor (ángulos de hélice de 45° y 90°) en Re = 900. Esto significa que el papel del TT uniforme en el aumento de la intensidad de la turbulencia es mucho mayor a velocidades de fluido más bajas (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 retorcida), si la existencia de TT produce una mayor intensidad de turbulencia, mezcla de flujo de los fluidos de trabajo y mejora de la transferencia de calor21.

Número de Nusselt promedio (ángulos de hélice de 45° y 90°) en relación con una 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° con respecto a 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). Puede observarse en las Figs. 13 y 14, a medida que el número de Reynolds aumenta 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, los valores del factor de fricción y de la pérdida de presión son superiores a números de Reynolds más bajos. El factor de fricción y la pérdida de presión promedio 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 mayor velocidad del fluido de trabajo, el factor de fricción disminuye. Este problema se debe a que, al aumentar el número de Reynolds, el espesor de la capa límite disminuye, provocando una reducción en la influencia de la zona afectada por la viscosidad dinámica y una disminución del gradiente de velocidad y del esfuerzo cortante, y, por tanto, reduciendo el factor de fricción21. La mejora del efecto de bloqueo debido a la existencia de TT y al aumento de los flujos turbulentos produce una pérdida de presión mucho mayor para las tuberías TT no uniformes que para las básicas. Además, tanto para la tubería básica como para la TT, se puede observar 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 una tubería simple versus números de Reynolds para diferentes nanofluidos.

Pérdida de presión de (ángulos de hélice de 45° y 90°) en relación con una tubería simple versus números de Reynolds para diferentes nanofluidos.

En general, la Fig. 15 ilustra el criterio de evaluación del desempeño (PEC) de intercambiadores de calor de 45° y 90° en relación con la tubería simple (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\ )) utilizando nanofluidos DW, (GNPs-SDBS@DW) y 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 de ángulo de 90° reveló un modesto aumento (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) en comparación con el intercambiador de calor de ángulo de 45° . Además, en Re = 11.000, 0,1% en peso-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 inserciones de cinta retorcida 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 desempeño de (ángulos de hélice de 45° y 90°) en relación con una tubería simple versus números de Reynolds para diferentes nanofluidos.

El Apéndice A muestra las líneas de corriente de velocidad de los intercambiadores de calor de 45° y 90° que utilizan DW, 0,1% en peso-GNPs-SDBS@DW y 0,1% en peso-GNPs-COOH@DW en Re = 7000. Las líneas de corriente en el Los planos transversales son las características más notables del impacto de las inserciones de cinta retorcida en el flujo principal. Las aplicaciones de 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° usando DW, 0,1% en peso-GNPs-SDBS@DW y 0,1% en peso-GNPs-COOH@DW en 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 se encuentra 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 capas límite hidrodinámicas, lo que aumenta el espesor de la zona de baja velocidad junto a la pared. Además, aumentar el 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 covalentes y no covalentes 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 del tubo retorcido se calentaron a una temperatura constante de 330 K. Nanofluidos (GNPs-SDBS@DW) y (GNPs-COOH@DW) 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 media de salida (\({{T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) es siempre inferior a 1, lo que significa que la 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 promedio de temperatura de salida (\({{T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\)) 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 (nanofluidos/fluidos base) y (tubo retorcido/tubo simple) de las propiedades de transferencia de calor siempre muestran > 1. Los nanofluidos no covalentes (GNPs-SDBS@DW) mostraron un mayor aumento promedio de la transferencia de calor correspondiente a los covalentes ( GNPs-COOH@DW) nanofluidos.

El factor de fricción promedio (\({f}_{Nanofluidos}/{f}_{Basefluid}\)) 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 valores más altos (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) como 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 (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) del 1,31% para 0,025% en peso al 1,65%. por 0,05% en peso. Además, la pérdida de presión promedio (\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\)) de compuestos 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 mayores (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\)) 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 (\({PEC}_{Nanofluidos}/{PEC}_{Basefluid}\)) usando nanofluidos (GNPs-COOH@DW) fue 1,02 para 0,025% en peso, 1,05 para 0,05% en peso y 1,02 por 0,1% en peso. Además, en Re = 11.000, 0,1% en peso-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

Diámetro del tubo hidráulico (mm)

Inserto turbulador retorcido 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 paredes múltiples

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 aparente (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 torcida 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 expresar su aprecio y gratitud a los respetados revisores y editores por sus comentarios constructivos. Además, el primer autor desea agradecer el apoyo recibido del Nanchang Key Laboratory of Internet of Things Information Visualization Technology (Subvención No. 2020-NCZDSY-017). Además, los autores agradecen el apoyo recibido por parte de Al-Mustaqbal University College (Número de subvención: MUC-E-0122). Por último, deseamos expresar nuestro admirable agradecimiento a la Universidad Rey Fahd de Petróleo y Minerales por su apoyo técnico.

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Omer A. Alawi

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Omar A. Hussein

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Waqar Ahmed y Ali H. Abdelrazek

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

Consejo Z. Homod

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

Mahmoud Eltaweel

Departamento de ingeniería de técnicas de edificación 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 Rey Fahd de Petróleo y Minerales, Dhahran, 31261, Arabia Saudita

Zaher Mundher Yaseen

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HT: Conceptualización, redacción, análisis, investigación, validación, visualización. OAA: Conceptualización, metodología, análisis de datos, redacción, análisis, investigación, validación, visualización. OAH: Conceptualización, redacción, análisis, investigación, validación, visualización. WA: Conceptualización, redacción, análisis, investigación, validación, visualización. AHA: Conceptualización, redacción, análisis, investigación, validación, visualización. RZH: Conceptualización, supervisión, redacción, análisis, investigación, validación, visualización. ME: Conceptualización, redacción, análisis, investigación, validación, visualización. MWF: Redacción, análisis, investigación, validación, visualización. NA-A.: Supervisión, conceptualización, redacción, análisis, investigación, validación, visualización. ZMY: Líder de proyecto, supervisión, conceptualización, redacción, análisis, investigación, validación, visualización.

Correspondencia con Zaher Mundher Yaseen.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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

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

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Tao, H., Alawi, OA, Hussein, OA et al. Análisis termohidráulico de nanoplaquetas de grafeno funcionalizadas covalentes y no covalentes en un 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 de agosto de 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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