بررسی اثرات قطر و کسر حجمی نانوذرات بر جریان و انتقال حرارت نانوسیال اکسید آلومینیوم‌/‌آب در یک مبدل حرارتی با نوار‌های زاویه‌دار

محورهای موضوعی : یافته های نوین کاربردی و محاسباتی در سیستم های مکانیکی

میثم پویانیان ¹ (کارشناسی ارشد مکانیک، گروه مهندسی مکانیک، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران)
اشکان غفوری ² (هسته پژوهشی محاسبات پیشرفته، گروه مهندسی مکانیک، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران)

تاریخ دریافت : 1401/12/17 تاریخ پذیرش : 1402/03/04 تاریخ انتشار : 1402/03/01

کلید واژه: نانوسیال, ضریب هدایت حرارتی, عدد ناسلت, ضریب اصطکاک, نوار زاویه دار,

چکیده مقاله :

در این پژوهش، اثر قطر و کسر حجمی نانوسیال بر ویژگی‌های جریان و انتقال حرارت با استفاده از نوار‌های زاویه‌دار در یک مبدل حرارتی با مقطع دایره‌ای، به صورت عددی مورد مطالعه قرار گرفته است. معادلات پیوستگی، مومنتوم و انرژی با استفاده از روش حجم محدود حل شده است. دیواره لوله با شرایط مرزی شار حرارتی یکنواخت حرارت داده می‌شود. در این مطالعه، از چیدمان رو به جلو جهت قراردادن نوار زاویه‌دار به صورت 4 پره و عدد رینولدز 10000 استفاده شده است. اثرات زوایه شیب 10 درجه و گام‌ نوار زاویه‌دار 50 میلی‌متر برای نانو‌ذره اکسید آلومینیوم با کسر‌های حجمی مختلف از 1 تا 4 درصد و قطر‌های مختلف نانوذره از 20 تا 50 نانومتر که در یک سیال پایه (آب) مخلوط شده‌اند، استفاده شده است. مقابسه نتایج تحلیل عددی با روابط موجود، همگرایی خوبی را نشان می‌دهد. نتایج حل عددی نشان می‌دهد، عدد ناسلت و معیار ارزیابی عملکرد با کاهش اندازه نانوذرات از 30 تا 20 نانومتر به ترتیب در حدود 8 % و 16 % افزایش می‌یابند. ضمن اینکه با کاهش قطر‌های نانوذرات بر ضریب اصطکاک تاثیر چندانی نمی‌گذارد. میزان افزایش عدد ناسلت و معیار ارزیابی عملکرد با افزایش کسر حجمی نانوذرات به ترتیب در حدود 18% و 15 % بوده است. افزایش کسر حجمی نانوذرات تغییر ناچیزی بر ضریب اصطکاک داشته است. آب کمترین عدد ناسلت را دارد. همچنین نانوسیال نسبت به سیال پایه‌، دمای دیواره لوله را بیشتر کاهش داده است که این خود بیانگر مزیت استفاده از نانوسیالات در ﺑﻬﺒﻮد اﻓﺰاﯾﺶ ﻋﻤﻠﮑﺮد ﺣﺮارﺗﯽ ﺳﯿﺴﺘﻢ است.

چکیده انگلیسی:

In this study, the effect of using louvered strip inserts in heat exchangers on flow and transfer characteristics is numerically investigated. The continuity, momentum, and energy equations have been solved using a finite volume method. The wall of the tube is heated with a uniform heat flux boundary condition. This paper uses a louvered strip insert arrangement (forward) with a Reynolds number of 10,000. The effects of louvered strip slant angle of  and pitch of 50 mm were used for Al2O3 nanoparticles with different volume fractions in the range of 1% to 4% and different nanoparticle diameters in the range of 20 nm to 50 nm, mixed in a base fluid (water) is used. The comparison of numerical analysis results with existing equations has shown a good convergence. The numerical results reveal that the Nusselt number has increased with decreasing the nanoparticle diameter. The results indicate a slight change in the skin friction coefficient when nanoparticle diameters of Al2O3 nanofluid are varied. The Nusselt number increases with increasing nanoparticle volume fraction of Al2O3 /water nanofluid, while it is found that pure water has the lowest Nusselt number value. Also, the nanofluid has reduced the wall's temperature more than the base fluids (water), which indicates the advantage of using nanofluids in improving the system's thermal performance.

منابع و مأخذ:

 

[1] Kakaç, S., Bergles, A. E., Mayinger, F., Yüncü, H., (2013), Heat transfer enhancement of heat exchangers, Springer Science & Business Media (Vol. 355).‏

[2] Choi, S. U., Eastman, J. A., (1995), Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles, in: D.A. Signer, H.P. Wang (Eds.), Developments Applications of Non-Newtonian Flows, FED-vol. 231/MD, 66, pp. 99–105.

[3] Masuda, H., Ebata, A., Teramae, K., (1993), Alteration of thermal conductivity and viscosity of liquid by dispersing ultra-fine particles (dispersion of c-Al2O3, SiO2 and TiO2 ultra-fine particles), Netsu Bussei (Japan) 4, pp.227–233.

[4] Lee, S., Choi, S. S., Li, S. A., Eastman, J. A., (1999), Measuring thermal conductivity of fluid containing oxide nanoparticles", Journal of Heat Transfer, 121, pp.280–289.

[5] Saidur, R., Kazi, S. N., Hossain, M. S., Rahman, M. M., Mohammed, H. A., (2011), A review on the performance of nanoparticles suspended with refrigerants and lubricating oils in refrigeration systems, Renewable & Sustainable Energy Reviews, 15, pp. 310–323.

[6] Fan, A., Deng, J., Guo, J., Liu, W., (2011), A numerical study on thermo-hydraulic characteristics of turbulent flow in a circular tube fitted with conical strip inserts, Applied Thermal Engineering, 31, pp. 2819–2828.

[7] Kherbeet, A. S., Mohammed, H. A., Salman, B. H., Ahmed, H. E., Alawi, O. A., Rashidi, M. M., (2015), Experimental study of nanofluid flow and heat transfer over microscale backward- and forward-facing steps, Experimental Thermal and Fluid Science, 65, pp.13–21.

[8] Murshed, S. S., de Castro, C. N., (2016), Conduction and convection heat transfer characteristics of ethylene glycol based nanofluids–a review. Applied energy, 184, pp. 681-695.‏

[9] Mashayekhi, R., Arasteh, H., Toghraie, D., Motaharpour, S. H., Keshmiri, A., Afrand, M., (2020), Heat transfer enhancement of Water-Al2O3 nanofluid in an oval channel equipped with two rows of twisted conical strip inserts in various directions: A two-phase approach. Computers & Mathematics with Applications, 79(8), pp.2203-2215.‏

[10] Ho, C. J., Cheng, C. Y., Yang, T. F., Rashidi, S., Yan, W. M., (2021), Experimental study on cooling performance of nanofluid flow in a horizontal circular tube, International Journal of Heat and Mass Transfer, 169, 120961.‏

[11] Akyürek, E. F., Geliş, K., Şahin, B., Manay, E., (2018), Experimental analysis for heat transfer of nanofluid with wire coil turbulators in a concentric tube heat exchanger, Results in Physics, 9, pp. 376-389.‏

[12] W. H. Azmi, K V Sharma, Rizalman Mamat, A B S Alias, Izan Izwan Misnon, (2012), Correlations for thermal conductivity and viscosity of water based nanofluids, Materials Science and Engineering, 36, 012029.

[13] Hamilton, R.L., and Crosser, O.K., (1962), Thermal Conductivity of Heterogeneous Two Component Systems, Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals, 1(3), pp. 187-191.

[14] Mohammed, H. A., Hasan, H. A., Wahid, M. A., (2013), Heat transfer enhancement of nanofluids in a double pipe heat exchanger with louvered strip inserts, International Communications in Heat and Mass Transfer, 40, pp. 36-46.

[15] Webb, R.L., (1981), Performance Evaluation Criteria for use of Enhanced Heat Transfer Surfaces in Heat Exchanger Design, international journal of heat and mass transfer, 24, pp. 715–726.

[16] نعمت زاد، ا، غفوری، ا، فلاوند جوزایی، ع، (1399)، بررسی تجربی عملکرد هیدروترمودینامیکی مبدل حرارتی دو لوله ای با استفاده از نانوسیال و نوار تابیده دوگانه، نشریه مهندسی مکانیک، انجمن مهندسان مکانیک ایران.