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

الموضوعات : یافته های نوین کاربردی و محاسباتی در سیستم های مکانیکی

میثم پویانیان ¹ , اشکان غفوری ²

1 - کارشناسی ارشد مکانیک، گروه مهندسی مکانیک، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران
2 - هسته پژوهشی محاسبات پیشرفته، گروه مهندسی مکانیک، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران

تاريخ الإرسال : 16 الأربعاء , شعبان, 1444 تاريخ التأكيد : 05 الخميس , ذو القعدة, 1444 تاريخ الإصدار : 02 الإثنين , ذو القعدة, 1444

الکلمات المفتاحية: نانوسیال, ضریب هدایت حرارتی, عدد ناسلت, ضریب اصطکاک, نوار زاویه دار,

ملخص المقالة :

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.

المصادر:

 

[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.