بررسی تجربی عملکرد حرارتی نانوسیال اکسیدروی – اتیلن گلیکول در مبدل حرارتی دو لوله‌ی در جریان‌های آشفته

محورهای موضوعی : تحقیقات در علوم مهندسی سطح و نانو مواد

علی سعدی ¹ (گروه مهندسی مکانیک، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران)
اشکان غفوری ² (گروه مهندسی مکانیک، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران)

تاریخ دریافت : 1402/02/06 تاریخ پذیرش : 1402/03/17 تاریخ انتشار : 1402/03/01

کلید واژه: عدد ناسلت, هدایت حرارتی, عملکرد حرارتی, نانوذرات اکسیدروی, جریان مغشوش, انتقال حرارت جابه جایی,

چکیده مقاله :

در این پژوهش اثر افزودن نانوسیال اکسیدروی به اتیلن گلیکول در ضریب انتقال حرارت جابجائی اجباری و آشفته در یک مبدل دو لوله ای مورد آزمایش قرار گرفته است. بیشتر سیال ها ضریب هدایت حرارتی پایینی نسبت به جامدات دارند لذا افزودن ذرات جامد با ضریب هدایت حرارتی بالا می تواند باعث افزایش ضریب انتقال حرارت جابجائی آنها شود. نانوذرات به دلیل داشتن نسبت سطح به حجم بالا، دارای خصوصیات متفاوتی نسبت به حالت معمولی خود هستند و ضریب هدایت حرارتی متفاوتی دارند. در این پژوهش نانوذره ی اکسیدروی با قطر 30-10 نانومتر تهیه و با استفاده از تغییر اسیدیته، همزن دور بالا و آلتراسونیک در اتیلن گلیکول به صورت پایدار در آمده است. نانوسیال با غلظت های مختلف 0/5، 0/7 و 1 درصد کسر حجمی برای بررسی تاثیر غلظت نانوذرات بر ضریب انتقال حرارت جابجائی آماده گردید. برای انجام آزمایش ها یک مبدل دولوله ای ساخته شد و نانوسیال در لوله ی داخلی مورد آزمایش قرار گرفت. آزمایش ها در محدوده ی عدد رینولدز 6000 تا 15000 انجام گرفت. نتایج آزمایشگاهی نشان داد انتقال حرارت جابه جایی هر سه نانو سیال بیشتر از سیال پایه بوده که با افزایش غلظت نانوسیال اکسیدروی در اتیلن گلیکول و افزایش عدد رینولدز، عدد ناسلت افزایش پیدا می کند. ماکزیمم بازده ی عملکرد مربوط به غلظت حجمی یک درصد در حدود 1/32 و همچنین جهت غلظت 0/5 درصد بین 1/03 تا 1/20 می باشد. در نتیجه ماکزیمم ناسلت در غلظت حجمی 0/7 درصد در رینولدز 6300 در حدود 19/8 درصد می باشد و همچنین ماکزیمم افزایش انتقال حرارت در غلظت حجمی یک درصد در حدود 33/2 درصد در رینولدز 7200 است.

منابع و مأخذ:

 [1] SK .Das, SU .Choi, W .Yu, T .Pradeep, Nanofluids: science and technology. John Wiley & Sons, 2007.

 [2] H. Masuda, A. Ebata, K. Teramae. "Alteration of thermal conductivity and viscosity of liquid by dispersing ultra-fine particles. Dispersion of Al₂O₃, SiO₂ and TiO₂ ultra-fine particles." (1993).

[3] JA. Eastman, SUS. Choi, S. Li, W. Yu, L. J. Thompson ,"Anomalously increased effective thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles." Applied physics letters , 6 (2001) 718-720.

 [4] SK. Das, N. Putra, P. Thiesen, W. Roetzel. "Temperature dependence of thermal conductivity enhancement for nanofluids." J. Heat Transfer, 4 (2003) 567-574.

[5] BC. Pak, YI. Cho, "Hydrodynamic and heat transfer study of dispersed fluids with submicron metallic oxide particles." Experimental Heat Transfer an International Journal , 2 (1998) 151-170.

 [6] Y .Xuan, Q. Li, "Investigation on convective heat transfer and flow features of nanofluids." J. Heat transfer, 1 (2003) 151-155.

 [7] D. Wen, Y. Ding. "Experimental investigation into convective heat transfer of nanofluids at the entrance region under laminar flow conditions." International journal of heat and mass transfer, 24 (2004) 5181-5188.

[8] SZ .Heris, SG. Etemad, MN. Esfahany, "Experimental investigation of oxide nanofluids laminar flow convective heat transfer." International communications in heat and mass transfer, 4 (2006) 529-535.

 [9] Y. Yang, ZG. Zhang, EA. Grulke, WB. Anderson, G. Wu, "Heat transfer properties of nanoparticle-in-fluid dispersions (nanofluids) in laminar flow." International journal of heat and mass transfer ,6 (2005) 1107-1116.

[10] S. Lee, SUS. Choi, S. Li, JA .Eastman. "Measuring thermal conductivity of fluids containing oxide nanoparticles." (1999).

 [11] Eastman, J. A., U. S. Choi, S. Li, L. J. Thompson, and S. Lee. "Enhanced thermal conductivity through the development of nanofluids." Argonne National Lab., IL (United States) (1996).

[12] J. Jeong, C. Li, Y. Kwon, J. Lee, SH. Kim, R. Yun, "Particle shape effect on the viscosity and thermal conductivity of ZnO nanofluids." International journal of refrigeration, 8 (2013) 2233-2241.

 [13] M .Kole, TK. Dey. "Effect of prolonged ultrasonication on the thermal conductivity of ZnO–ethylene glycol nanofluids." Thermochimica Acta, 535 (2012) 58-65.

 [14] GJ. Lee, CK. Kim, MK. Lee, CK. Rhee, S. Kim, C Kim. "Thermal conductivity enhancement of ZnO nanofluid using a one-step physical method." Thermochimica acta, 542 (2012) 24-27.

 [15] R. Saleh, N. Putra, SP. Prakoso, WN. Septiadi, "Experimental investigation of thermal conductivity and heat pipe thermal performance of ZnO nanofluids." International Journal of Thermal Sciences ,63 (2013) 125-132.

 [16] W,Yu, H .Xie, L. Chen, Y. Li. "Investigation of thermal conductivity and viscosity of ethylene glycol based ZnO nanofluid." Thermochimica Acta , 1-2 (2009) 92-96.

 [17] BG. Lipták. Instrument Engineers' Handbook, Volume One: Process Measurement and Analysis. Vol. 1. CRC press, 2003.

 [18] ASTM Committee E-20 on Temperature Measurement. Manual on the use of thermocouples in temperature measurement. Vol. 470. ASTM International, 1981.

 [19] SMS. Murshed, KC. Leong, C. Yang. "Enhanced thermal conductivity of TiO2—water based nanofluids." International Journal of thermal sciences , 4 (2005) 367-373.

[20] KS. Suganthi, KS. Rajan. "Temperature induced changes in ZnO–water nanofluid: zeta potential, size distribution and viscosity profiles." International Journal of Heat and Mass Transfer , 25-26 (2012) 7969-7980.

 [21] RL. Hamilton, OK. Crosser. "Thermal conductivity of heterogeneous two-component systems." Industrial & Engineering chemistry fundamentals, 3 (1962) 187-191.

[22] W. Yu, SUS. Choi. "The role of interfacial layers in the enhanced thermal conductivity of nanofluids: a renovated Maxwell model." Journal of nanoparticle research, 5 (2003) 167-171.

[23] X. Wang, X. Xu, SUS. Choi. "Thermal conductivity of nanoparticle-fluid mixture." Journal of thermophysics and heat transfer , 4 (1999): 474-480.

 [24] V. Gnielinski. "New equations for heat and mass transfer in turbulent pipe and channel flow." International chemical engineering , 2 (1976) 359-367.

 [25] TL. Bergman Fundamentals of heat and mass transfer. John Wiley & Sons, 2011.

 [26] BS. Petukhov . "Heat transfer and friction in turbulent pipe flow with variable physical properties." In Advances in heat transfer, 6 (1970) 503-564..

 [27] SEB. Maı̈ga, CT. Nguyen, N. Galanis, G. Roy, "Heat transfer behaviours of nanofluids in a uniformly heated tube." Superlattices and Microstructures , 3-6 (2004) 543-557.