TiO2의 유동 및 열전달 특성 - 나선형 홈이 있는 튜브와 평활한 튜브에서 서로 다른 나노입자 질량 분율을 갖는 물 나노유체는 서로 다른 레이놀즈 수에서 실험적으로 조사됩니다. TiO2의 안정성에 대한 pH 값 및 분산제의 용량의 영향 - 물 나노 유체에 대해 논의합니다. 나선형 홈이 있는 관과 평활관에서 나노입자의 질량 분율과 레이놀즈 수가 Nusselt 수와 마찰 저항 계수에 미치는 영향도 조사했습니다. TiO2 - 나선형 홈이 있는 튜브에 있는 물 나노유체는 매끄러운 튜브에 있는 것보다 더 크게 향상됩니다. TiO2의 열전달 향상 및 마찰 저항 계수 증가 - 나선형 홈이 있는 튜브와 층류 및 난류 흐름에 대한 평활 튜브의 물 나노유체를 비교합니다. TiO2의 층류 유동보다 난류 유동에 대한 열전달 증가가 더 크고 마찰 저항 계수 증가가 더 작은 것으로 밝혀졌습니다. - 나선형 홈이 있는 튜브의 물 나노 유체. TiO2의 열수압 성능에 대한 종합 평가 - 매끄러운 튜브와 나선형 홈이 있는 튜브의 물 나노유체에 대해서도 논의합니다.
<섹션 데이터-제목="배경">나노유체는 열전달 성능이 우수한 매체 유체의 일종으로 ZnO-EG 나노유체[1], Cu-CTAC/NaSal 나노유체[2], MWCNTs-CTAC/NaSal 나노유체[3] 등 다양한 분야에 적용되고 있다. , 깨끗한 물 생성[4], 태양광 광열 변환[5] 및 끓는 열 전달[6]과 같은 것입니다.
나노유체의 대류 열전달은 자연대류와 강제대류 열전달을 포함하는 중요한 열전달 과정이다. 많은 연구자들이 나노유체의 자연 대류 열전달을 조사했습니다. Li et al. [7]은 ZnO-EG/DW 나노유체로 채워진 정사각형 인클로저의 자연 대류를 실험적으로 조사한 결과 높은 EG 수용액 농도가 열전달 향상에 불리하다는 결론을 얻었다. Hu et al. [8] Al2의 자연 대류를 실험적으로 수치적으로 조사했습니다. O3 -정사각형 인클로저에 있는 물 나노유체, 가장 높은 나노입자 분율을 갖는 나노유체는 열전달을 악화시키는 것으로 밝혀졌습니다. 그는 외. [9] Al2의 자연 대류를 수치적으로 연구했습니다. O3 -격자 Boltzmann 방법으로 정사각형 인클로저에 물 나노유체를 주입하였고, 그 결과 나노입자의 부피 분율에 따라 열전달 성능이 감소함을 보여주었다. Qi et al. 단상 모델[10]과 2상 격자 Boltzmann 모델[11]에 의해 다양한 종횡비 인클로저에서 Cu-갈륨 나노유체의 자연 대류를 수치적으로 연구했습니다. 그들은 또한 Al2의 자연 대류를 연구했습니다. O3 -2상 격자 Boltzmann 모델을 사용하는 물 나노유체와 그 결과는 더 작은 종횡비 인클로저의 나노유체가 더 높은 열 전달 향상 비율을 가짐을 보여주었습니다. 결론적으로 높은 화력과 나노입자 분율과 같은 몇 가지 요인이 열전달 향상에 유리한 반면, 인클로저의 큰 종횡비와 열전도율이 낮은 기본 유체와 같은 다른 요인은 자연 대류 열 전달 감소. 나노유체의 자연대류는 많은 분야에서 널리 적용되고 있지만 높은 전력밀도 조건에서는 고효율의 방열을 만족시키지 못한다.
자연 대류에 비해 강제 대류 열전달은 열전달 계수가 더 높습니다. 연구원들은 나노유체의 강제 대류 열전달 특성을 조사하기 위해 다양한 실험 방법을 채택했습니다. Sun et al. [13, 14] Cu-water, Al-water, Al2의 유동 및 열전달 특성을 실험적으로 조사 O3 -물, Fe2 O3 -물, 및 Cu-물 나노유체를 내장형 꼬임벨트 수나사관에 넣어 실험한 결과, Cu-물 나노유체가 최고의 열전달 성능을 나타내는 것으로 나타났다. Yang et al. [15]는 평활관에서 Cu-물 나노유체와 Cu-점탄성 유체 나노유체의 유동 및 열전달 특성을 실험적으로 조사한 결과 Cu-점탄성 유체 나노유체가 점탄성 베이스 유체보다 열전달 성능은 높으나 유속은 낮은 것으로 나타났다. Cu-물 나노유체보다 내성이 강하다. Abdolbaqi et al. [16] TiO2의 열전달 향상을 실험적으로 연구했습니다. - BioGlycol/water nanofluids in flat tube와 열전달 향상과 마찰계수 사이의 새로운 상관관계를 확립하였으며, 그 결과 나노유체의 열전달 성능이 base fluid보다 약 28.2% 더 높은 것으로 나타났습니다. Naphon[17]은 TiO2의 열전달 특성을 실험적으로 연구했습니다. -수평 나선형으로 감긴 튜브의 물 나노유체, 나노유체의 열전달 성능은 곡률이 감소하고 나노입자 분율이 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났습니다. Shahrul et al. [18] 및 Kumar and Sonawane [19]는 3가지 종류의 나노유체(Al2 O3 -물, SiO2 -물, ZnO-물) 및 두 종류의 나노유체(Fe2 O3 -물 및 Fe2 O3 -EG) 쉘 및 튜브 열교환기에서 ZnO-물과 Fe2 O3 -물나노유체는 각각의 연구에서 최고의 열전달 성능을 나타냅니다. El-Maghlany et al. [20]은 수평 이중관 열교환기에서 Cu-물 나노유체의 열전달 특성과 압력 강하를 실험적으로 조사한 결과, 나노입자 분율에 따라 나노유체의 열전달 향상이 증가함을 보였다. Sundar et al. [21] Fe3의 유동 및 열전달 특성을 실험적으로 연구했습니다. O4 -리턴 벤드 및 와이어 코일 삽입물이 있는 수평 일반 튜브의 물 나노유체를 분석한 결과, 와이어 코일 삽입물의 나노입자 비율이 증가하고 p/d 비율이 감소함에 따라 열전달 성능이 증가하는 것으로 나타났습니다. 위의 연구는 주로 평활관, 평관, 나선형으로 감긴 관 또는 와이어 코일이 삽입된 관에서 나노유체의 열전달 성능에 초점을 맞췄습니다.
위의 실험 연구에 더하여 나선형으로 주름진 튜브에서 나노 유체의 강제 대류 열 전달 특성도 조사되었습니다. Darzi et al. [22, 23] Al2의 난류 열전달을 실험적으로 수치적으로 연구했습니다. O3 - 나선형 주름관에 물나노유체를 주입하고, 그 결과 일반관보다 더 나은 열전달 성능을 얻을 수 있음을 보여주었다. Darzi et al. [24] SiO2의 난류 열전달 특성을 실험적으로 조사했습니다. - 나선형 주름관의 물 나노유체와 주름관의 열 전달에 대한 주름의 5개 피치 효과에 대해 논의한 결과, 작은 주름 피치가 열 전달 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 보여주었습니다. Park et al. [25]는 나선형 홈이 있는 튜브에서 열변색 액정의 열전달을 연구한 결과, 낮은 레이놀즈 수(30,000)에서 나선형 홈과 평활 튜브 사이의 열전달 향상 비율이 높은 것보다 높음을 보여주었다. 레이놀즈 수(50,000 및 70,000). 위의 연구는 주로 나선형 주름관에서 나노유체의 열전달 및 흐름 특성을 조사했습니다. 그러나 평활관과 나선형 홈이 있는 관에서 나노유체의 열수압 성능에 대한 포괄적인 분석은 더 논의될 필요가 있습니다.
위의 연구는 평활관, 와이어 코일이 삽입된 평활관, 열교환기, 나선형 주름관 등의 유동 및 열전달 특성에 크게 기여했습니다. 이 원고의 주요 참신성은 주로 다음을 포함합니다. (1) 나노 유체의 안정성을 테스트하는 새로운 방법(투과율 방법)은 공개된 참고 문헌에서 널리 채택된 침전 방법과 다른 자외선 분광 광도계에 의해 확립되었습니다. 투과율 방법의 결과는 정량화할 수 있지만 강수 방법의 결과는 정량화할 수 없습니다. (2) TiO2의 열수압 성능에 대한 종합 평가 - 평활관과 나선형 홈이 있는 관에 있는 물 나노유체에 대해 논의했지만 덜 조사되었습니다. 흥미로운 점은 가장 높은 레이놀즈 수의 나노 유체가 나선형 홈이 있는 튜브에서 최고의 열수력 성능을 갖지 않을 수 있으며 최상의 열수력 성능을 위한 임계 레이놀즈 수가 있다는 사실입니다.
TiO2 나노 입자로 선택되고 물이 기본 유체로 선택됩니다. 그림 1은 TiO2를 보여줍니다. 나노 입자. TiO2 - 실험에 사용된 물나노유체는 2단계 방법으로 제조하였으며, 그 제조과정을 Fig. 2에 나타내었다. 각 하위 단계에서 기계적 교반 시간은 30분이고 초음파 처리 시간은 40분입니다. 수중 분산제의 질량 분율은 6wt%이고, 나노유체의 pH 값은 8이다. 표 1은 나노유체의 제조 과정에서 일부 재료의 정보를 나타낸다. 도 1로부터, 나노입자가 쉽게 응집됨을 알 수 있다. 따라서, 나노유체의 안정성은 출판된 참고 문헌에서 널리 채택된 침전 방법을 사용하여 조사됩니다. TiO2의 안정성 - 그림 3에서는 다양한 정지 시간에서 다양한 질량 분율(0.1, 0.3, 0.5wt%)을 갖는 물 나노유체를 연구했으며, 이는 72시간 후에도 나노유체의 안정성이 여전히 양호함을 보여줍니다.
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TiO2의 형태 나노 입자. TiO2의 TEM 이미지 나노입자:a 
20nm, b 
50nm 및 c 
100nm
나노 유체의 준비. TiO2의 준비 과정 - 2단계 방법에 의한 물 나노유체
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나노유체의 안정성 관찰. TiO2 - 다양한 정지 시간의 물 나노유체:a 그 =0 시간, b 그 =48시간, c 그 =72시간
나노유체의 안정성을 더 확인하기 위해 본 논문에서는 자외선 분광광도계를 이용하여 나노유체의 안정성을 테스트하는 새로운 방법(투과율법)을 확립하였다. 그림 4는 투과율(τ ) TiO2의 변화 -물 나노유체(ω =0.3%) 정지 시간 포함. 다양한 복용량의 효과(M ) 나노유체의 안정성에 대한 분산제의 다양한 pH 값을 조사하였다. 우리가 알고 있는 바와 같이, 나노입자가 물에 균일하게 분포되면 나노유체는 가장 많은 빛을 반사하게 되어 높은 반사율과 낮은 투과율을 갖는 나노유체를 생성하게 됩니다. 나노유체(ω =0.3%), M =6wt% 및 pH =8은 투과율이 가장 낮습니다. 다른 질량 분율을 갖는 나노유체(ω =0.1% 및 ω =0.5%) 모두 M에서 준비됨 =6 wt% 및 본 논문의 pH =8, ω인 나노유체의 투과율 변화 경향 =0.1% 및 ω =0.5%는 ω가 있는 나노 유체와 동일합니다. =0.3%. 따라서 본 논문에서 제조된 나노유체의 우수한 안정성을 보장할 수 있다. 또한, 분산제 및 pH가 물의 열전도도 및 점도에 미치는 영향을 조사한 결과, 분산제 및 NaOH가 적기 때문에 이들에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났습니다.
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투과율(τ ) 나노유체(ω =0.3%). TiO2의 정지 시간에 따른 투과율 변화 -물 나노 유체(ω =0.3%) 다른 용량(M) ) 분산제:a 엠 =5중량%, b 엠 =6중량%, c 엠 =7 중량% 및 d 엠 =8 중량%
그림 5는 TiO2의 열전도율과 동적 점도를 보여줍니다. - 다른 온도와 전단 속도에서 물 나노 유체. 본 논문에서 물의 열전도율은 Maxwell과 잘 일치함을 알 수 있다[26]. 나노입자의 질량분율에 따라 열전도율이 증가하고 나노유체의 열전도율은 나노입자의 높은 열전도율로 인해 물에 비해 0.17~1.6% 증가함을 알 수 있다. 또한, 고온은 나노입자의 브라운 운동을 증가시키고 나노유체의 열전도도를 향상시키기 때문에 온도에 따라 열전도도가 증가함을 알 수 있다. 열전도도의 결론 외에도 동적 점도는 초기 전단 속도에 따라 증가하고 전단 속도가 증가함에 따라 일정하게 유지되며 나노 유체의 점도는 물에 비해 2.5-13.6% 증가함을 알 수 있습니다. 이는 초기 단계에서 나노유체에 가해지는 작은 전단력이 유동장의 평형을 깨고 동점도의 증가(전단 농축 거동)를 일으키기 때문이다. 유동장이 다시 정상상태에 도달할 때 동점도는 일정하며, 이는 뉴턴 유체의 특성과 잘 일치합니다.
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열전도율 및 동적 점도. TiO2의 열전도도 및 동적 점도 - 다른 온도와 전단 속도에서 물 나노 유체. 아 열전도율 b 동적 점도
TiO2의 유동 및 열전달 특성에 대한 실험 시스템 - 나선형 홈이 있는 튜브에 물 나노 유체가 설정됩니다. 그림 6은 실험 시스템의 개략도를 나타냅니다. 실험 시스템은 주로 열전달 테스트 섹션, 흐름 저항 테스트 섹션, 온도 제어 싱크 및 펌프로 구성됩니다. 나선형 홈이 있는 튜브는 DC 전원에 연결된 저항선으로 가열됩니다. 나선형 홈이 있는 튜브의 외벽 온도는 나선형 홈이 있는 튜브의 표면에 균일하게 분포된 10개의 T형 열전대에 의해 얻어집니다. 나선형 홈이 있는 튜브의 나노 유체의 출구 온도와 입구 온도는 두 개의 K형 열전대로 측정됩니다. 모든 열전대는 데이터 수집 기기(Agilent 34972A)에 연결됩니다. 흐름 저항은 차압 기기로 측정됩니다.
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실험 시스템. 실험 시스템의 개략도
나선형 홈이 있는 튜브의 자세한 다이어그램은 그림 7에 나와 있습니다. 매끄러운 튜브와 나선형 홈이 있는 튜브의 경우 재료는 모두 스테인리스강이며 등가 직경은 동일하고 길이는 모두 1200mm, 테스트 섹션은 모두 입구 효과를 피하기 위해 중간 섹션 1000mm의 튜브와 100mm 섹션이 튜브의 양쪽 끝에 남습니다.
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나선형 홈이 있는 튜브. 나선형 홈이 있는 튜브의 상세 다이어그램
가열 전원은 DC 전원으로 공급됩니다.
$$ {Q}_{\begin{array}{l}0\\ {}\end{array}}=UI $$ (1)여기서 \( {Q}_{\begin{array}{l}0\\ {}\end{array}} \)는 가열 전력, U 는 전압이고 I 전류입니다.
유체가 흡수하는 열은 다음과 같이 계산됩니다.
$$ {Q}_{\mathrm{f}}={c}_{\mathrm{p}}{q}_{\mathrm{m}}\left({T}_{\mathrm{out}} -{T}_{\mathrm{in}}\right) $$ (2)여기서 Q f 유체가 흡수하는 열, c p 유체의 비열, q m 는 질량 유량이고 T 밖 그리고 T 안에 유체의 출구 온도와 입구 온도입니다.
열용량은 다음과 같이 주어집니다.
$$ {c}_{\mathrm{p}}=\frac{\left(1-\varphi \right){\left(\rho {c}_{\mathrm{p}}\right)}_{ \mathrm{bf}}+\varphi {\left(\rho {c}_{\mathrm{p}}\right)}_{\mathrm{p}}}{\left(1-\varphi \right) {\rho}_{\mathrm{bf}}+{\varphi \rho}_{\mathrm{p}}} $$ (3)여기서 c p 는 나노유체의 열용량, φ 는 나노 입자 부피 분율, 아래 첨자 "bf"는 기본 유체를 나타내고, 아래 첨자 "p"는 나노 입자를 나타냅니다.
유체의 평균 온도는 다음과 같이 계산됩니다.
$$ T\mathrm{f}=\left(T\mathrm{out}+T\mathrm{in}\right)/2 $$ (4)여기서 T f 튜브 내 유체의 평균 온도입니다.
튜브의 외벽 평균 온도는 다음과 같이 표시됩니다.
$$ {T}_{\mathrm{ow}}=\left[\sum_{i=1}^{10}T\mathrm{w}(i)\right]/10 $$ (5)여기서 T 우 튜브의 외벽 평균 온도, T 승(나 )은 관 외벽에 부착된 열전대의 온도이며, 관 외벽에 균일하게 부착된 열전대가 10개 있다.
튜브의 내부 벽 평균 온도는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
$$ {T}_{\mathrm{iw}}={T}_{\mathrm{ow}}-\frac{Q_{\mathrm{f}}\ln \left(r\mathrm{o}/ ri \right)}{2\pi \lambda l},\left(i=1,2,3\dots 10\right) $$ (6)여기서 T 이와 튜브의 내부 벽 평균 온도, r 오 및 리 튜브의 외부 반경 및 내부 반경, λ 는 튜브의 열전도율이며 l 는 튜브의 길이입니다.
대류 열전달 계수는 다음과 같이 계산됩니다.
$$ {h}_{\mathrm{f}}=\frac{Q_{\mathrm{f}}}{\pi {d}_{\mathrm{e}}l\left({T}_{\ mathrm{iw}}-{T}_{\mathrm{f}}\right)} $$ (7)여기서 h f 는 대류 열전달 계수이고 d e 튜브의 등가 직경입니다.
Nusselt 수는 다음과 같이 계산됩니다.
$$ Nu=\frac{h_{\mathrm{f}}{d}_e}{\lambda_{\mathrm{f}}} $$ (8)여기서 누 Nusselt 수 및 λ f 열전도율 측정기로 측정한 튜브 내 유체의 열전도율입니다.
레이놀즈 수는 다음과 같이 표시됩니다.
$$ \mathit{\operatorname{Re}}=\rho {ud}_e/{\mu}_{\mathrm{f}} $$ (9)여기서 Re는 레이놀즈 수, ρ 유체의 밀도, u 는 유체의 속도이고 μ f 초회전 레오미터로 측정한 유체의 동점도입니다.
나노 유체의 밀도는 다음과 같이 표시됩니다.
$$ \rho =\left(1-\varphi \right){\rho}_{\mathrm{bf}}+{\varphi \rho}_{\mathrm{p}} $$ (10)여기서 ρ 는 나노유체의 밀도, φ 나노 입자의 부피 분율, ρ bf 는 물의 밀도, 그리고 ρ p 는 나노 입자의 밀도입니다.
유체의 마찰 저항 계수는 다음과 같이 표시됩니다.
$$ f=\frac{2d\mathrm{e}}{\rho {u}^2}\cdot \frac{\varDelta p}{\varDelta l} $$ (11)여기서 f 는 마찰 저항 계수이고 \( \frac{\varDelta p}{\varDelta l} \)는 단위 길이당 압력 강하입니다.
열전달과 유동 저항 간의 종합 평가 방정식은 다음과 같습니다[27].
$$ \varsigma =\left(\frac{Nu}{Nu_{\left(\mathrm{bf}+\mathrm{smooth}\ \mathrm{tube}\right)}}\right)/{\left(\ frac{f}{f_{\left(\mathrm{bf}+\mathrm{smooth}\ \mathrm{tube}\right)}}\right)}^{\frac{1}{3}} $$ ( 12)여기서 ς 종합평가지수입니다.
실험 오류는 실험 시스템에서 장비의 정확도로 인해 발생합니다. 해당 오류 방정식은 다음과 같이 표시됩니다.
$$ \frac{\delta Nu}{Nu}=\sqrt{{\left(\frac{\delta {Q}_{\boldsymbol{f}}}{Q_{\boldsymbol{f}}}\right) }^2+{\left(\frac{\delta T}{T}\right)}^2} $$ (13) $$ \frac{\delta f}{f}=\sqrt{{\left( \frac{\delta p}{p}\right)}^2+{\left(\frac{\delta l}{l}\right)}^2+{\left(\frac{\delta q\mathrm {m}}{q\mathrm{m}}\right)}^2} $$ (14)여기서 DC 전원의 정확도는 ± 5.0%이고, 열전대의 정확도는 ± 0.1%이며, Nusselt 수의 오류는 Eq.에서 얻을 수 있습니다. (13) 약 ± 5.0%이다. 압력변환기의 정확도는 ± 0.5%, 길이의 정확도는 ± 0.1%, 질량유량의 정확도는 ± 1.06%이며 마찰저항계수의 오차는 식에서 구할 수 있다. (14) 약 ± 1.29%입니다.
나노유체에 대한 실험적 연구에 앞서 실험 시스템 검증이 필요하다. 물은 열 전달 매체로 선택됩니다. 본 논문의 실험결과와 출판된 문헌의 결과 사이의 Nusselt 수와 마찰저항계수를 Fig. 도 8 및 9에서 확인할 수 있다. 8과 9에서 서로 다른 Reynolds 수에서 Nusselt 수와 마찰 저항 계수는 각각 발표된 문헌[28, 29] 및 [30, 31]의 결과와 잘 일치함을 알 수 있습니다. 층류 및 난류에서 Nusselt 수 및 마찰 저항 계수의 최대 오차는 각각 약 3.5, 2.8, 2.1 및 2.1%로 실험 시스템의 정확도와 신뢰성을 검증합니다. 또한 Fig. 8b의 Dittus-Boelter 결과는 문헌[28]의 결과와 일치하는 강한 난류대에만 실험식을 적용할 수 있기 때문에 천이유동 하의 실제 결과보다 높음을 알 수 있다[28]. . 이 논문에서 결과의 타당성을 더 증명합니다.
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열전달 특성 검증. 실험 결과와 문헌 결과의 Nusselt 수 비교. 아 층류 b 난류
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흐름 특성 검증. 실험 결과와 문헌 결과 간의 마찰 저항 계수 비교. 아 층류 b 난류
TiO2의 유동 및 열전달 특성 - 평활관 속의 물나노유체를 조사한다. 그림 10은 다양한 레이놀즈 수에서 나노유체로 채워진 평활관의 Nusselt 수를 나타냅니다. 층류 및 난류의 경우, Nusselt 수는 Reynolds 수 및 나노입자 질량 분율과 함께 증가합니다. 유체의 난류는 레이놀즈 수에 따라 증가하여 층류 경계층을 감소시키고 열전달을 향상시킵니다. 기본 유체에 더 많은 나노 입자를 추가하면 전체 열전도율이 증가하여 열 전달도 향상됩니다. 또한 나노입자의 브라운 운동 증가, 접촉각 감소, 불균일한 전단율, 입자 모양, 응집 등의 다른 요인들도 열전달 향상에 큰 영향을 미치는 것으로 제안되었다[32, 33]. 이전에 발표된 논문[11]에서 브라운 힘과 입자 크기가 열 전달 향상에 미치는 영향에 대해 논의했습니다. Brownian force는 나노입자 사이의 상호작용력 중 가장 큰 힘으로 열전달 향상에 유리하고, 입자 크기가 작을수록 열전달 향상에 유리함을 알 수 있었다. Fig. 10a에서 물에서 ω로의 열전달 향상 비율을 알 수 있다. =0.1 wt% 나노유체가 가장 크지만 ω에서 나노유체의 열전달 향상 비율 =0.1 wt% ~ ω =0.3 wt%가 감소하기 시작하며, ω에서 나노유체의 열전달 향상 비율 =0.3 wt% ~ ω =0.5 wt%가 가장 작은 것을 목격합니다. 그림 5에서 보는 바와 같이 나노유체의 열전도율과 점도는 물에 비해 각각 0.17~1.6%, 2.5~13.6% 증가한다. 층류의 경우 저속과 적은 나노입자로 인해 점도가 열전달에 미치는 영향이 적고, 물에서 ω까지 열전도율이 중요한 역할을 한다. =0.1 wt% 나노유체. 그러나 나노입자의 분율이 증가함에 따라 열전도율의 증가에 비해 점도가 더 크게 증가하여 열전달 향상율이 감소하게 된다. 난류 유동의 경우, 다른 나노입자 질량 분율을 갖는 나노유체의 열전달 향상이 가깝다는 것이 발견되었습니다. 이는 난류가 열전달 향상에 중요한 역할을 하고, 나노입자 질량분율의 영향이 작아지기 때문이다. 또한, 나노유체는 난류유동에 비해 층류유동에서 더 큰 열전달 향상율을 나타냄을 알 수 있다. 나노입자 질량분율은 층류에서 열전달 향상에 중요한 역할을 하며, 나노입자 질량분율이 증가함에 따라 큰 열전달 향상을 보인다. 그러나 열전달 향상에 대한 나노입자 질량 분율의 영향은 난류에서 작아지며 난류 강도가 중요한 역할을 합니다. 따라서 층류 유동에 비해 난류 유동에서 나노 입자 질량 분율이 증가함에 따라 더 작은 열 전달 향상 비율을 보여줍니다.
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매끄러운 튜브의 Nusselt 숫자. 다양한 레이놀즈 수에서 나노유체로 채워진 평활관의 너셀 수. 아 층류 b 난류
Fig. 10의 데이터를 기반으로 Fig. 11은 평활관 내 물에 대한 나노유체의 Nusselt 수 비율을 보여준다. TiO2 - ω가 있는 물 나노유체 =0.5 wt%, ω =0.3 wt% 및 ω =0.1 wt%는 평활관의 물에 비해 층류의 경우 11.2, 7.4, 4.5%, 기껏해야 난류의 경우 16.1, 13.9, 11.9%로 열 전달을 향상시킵니다.
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평활관의 Nusselt 수 비율. 평활관에서 나노유체와 기본유체 사이의 너셀수 비율
TiO2의 열전달 특성에 대한 연구 외에도 - 평활관의 물나노유체, 유동특성도 조사. 그림 12는 나노유체로 채워진 평활관의 마찰 저항 계수와 압력 강하를 나타냅니다. Fig. 12로부터 Reynolds 수가 증가함에 따라 속도가 증가하기 때문에 마찰저항계수가 감소함을 알 수 있으며, 이는 Eqs에 따른 마찰저항계수에 반비례한다. (9) 및 (11). 압력강하가 레이놀즈수에 비례하지만 마찰저항계수는 레이놀즈수에 반비례하기 때문에 마찰저항계수에 따라 압력강하가 감소함을 알 수 있다. 따라서 압력 강하는 마찰 저항 계수에 반비례합니다. 또한 Fig. 12로부터 마찰저항계수는 나노입자의 질량분율에 따라 증가하나 나노입자의 질량분율에 따라 그 증가가 작음을 알 수 있다. TiO2의 경우 - ω가 있는 물 나노유체 =0.5 wt%, ω =0.3 wt% 및 ω =0.1 wt%는 평활관에서, 층류에서 최대 7.9, 5.2, 3.0%, 난류에서 2.5, 1.5, 0.6%의 최대 향상이 평활관의 물과 비교하여 마찰 저항 계수에서 발생합니다. 물에 나노 입자를 첨가하면 마찰 저항 계수에 비례하는 점도가 증가합니다. However, the frictional resistance is mainly caused by the screw structure of the spirally fluted tube, and the effect of nanoparticles on the frictional resistance is much smaller than that of the screw structure, which causes a small difference between different nanoparticle mass fractions.
Frictional resistance coefficients and pressure drop in the smooth tube. Frictional resistance coefficients and pressure drop of the smooth tube filled with nanofluids. Frictional resistance coefficients:a laminar flow and b turbulent flow; pressure drop:c laminar flow and d turbulent flow
Above studies are on smooth tube, and the flow and heat transfer characteristics of water and TiO2 -water nanofluids in the spirally fluted tube will be investigated in the following text. Figure 13 presents the Nusselt numbers of the spirally fluted tube filled with TiO2 -water nanofluids at different Reynolds numbers. It obtains a similar conclusion in the spirally fluted tube (Fig. 13) similar to that in the smooth tube (Fig. 10). It is found that the Nusselt number increases with the Reynolds number and nanoparticle mass fraction. The differences between the spirally fluted tube and smooth tube are that there is a larger heat transfer enhancement in the spirally fluted tube than that in the smooth tube, which is due to the screw structure of the spirally fluted tube.
Nusselt numbers in the spirally fluted tube. Nusselt numbers of the spirally fluted tube filled with nanofluids at different Reynolds numbers. 아 Laminar flow b Turbulent flow
Based on the data of Fig. 13, Fig. 14 shows the Nusselt number ratios of nanofluids to the water in the spirally fluted tube. Figure 14 shows that TiO2 -water nanofluids with ω = 0.5 wt%, ω = 0.3 wt%, and ω = 0.1 wt% can enhance the heat transfer by 14.7, 12.6, and 11.3% for laminar flow and 42.8, 35.4, and 24.6% for turbulent flow at best compared with water in the spirally fluted tube, respectively. There is a larger increase in heat transfer for turbulent flow than that for laminar flow.
Nusselt number ratios in the spirally fluted tube. Nusselt number ratios between nanofluids and base fluid in the spirally fluted tube
The flow characteristics of TiO2 -water nanofluids in the spirally fluted tube are also studied. Figure 15 presents the frictional resistance coefficients and pressure drop of the spirally fluted tube filled with nanofluids, which shows that the frictional resistance coefficient decreases with the Reynolds number and increases with the nanoparticle mass fraction, and the pressure drop decreases with the frictional resistance coefficient. The reasons are similar to that in the smooth tube (Fig. 12c, d). TiO2 -water nanofluids with ω = 0.5 wt%, ω = 0.3 wt%, and ω = 0.1 wt% can enhance the frictional resistance coefficients by 20.2, 16.5, and 12.5% for laminar flow and 10.5, 7.7, and 2.0% for turbulent flow at best compared with water in the spirally fluted tube, respectively. There is a smaller increase in frictional resistance coefficients for turbulent flow than that for laminar flow.
Frictional resistance coefficients and pressure drop in the spirally fluted tube. Frictional resistance coefficients of the spirally fluted tube filled with nanofluids. Frictional resistance coefficients:a laminar flow and b turbulent flow; pressure drop:c laminar flow and d turbulent flow
The heat transfer characteristics of TiO2 -water nanofluids in the smooth tube and spirally fluted tube are investigated in this paper separately. Figure 16 shows the comparison of Nusselt numbers between the smooth tube and the spirally fluted tube filled with nanofluids at different Reynolds numbers. It can be found that TiO2 -water nanofluids with ω = 0.5 wt%, ω = 0.3 wt%, and ω = 0.1 wt% in the spirally fluted tube can enhance the heat transfer by 257.9, 245.1, and 240.7% at best compared with TiO2 -water nanofluids in the smooth tube, respectively. Also, TiO2 -water nanofluids with ω = 0.5 wt%, ω = 0.3 wt%, and ω = 0.1 wt% in the spirally fluted tube can enhance the heat transfer by 291.3, 268.8, and 253.1% at best compared with water in the smooth tube, respectively. TiO2 -water nanofluids in the spirally fluted tube have a larger enhancement than that in the smooth tube.
Comparison of Nusselt numbers in two tubes. Comparison of Nusselt numbers between the smooth tube and spirally fluted tube filled with nanofluids at different Reynolds numbers
In order to synthetically analyze the thermo-hydraulic performance of TiO2 -water nanofluids in the smooth tube and spirally fluted tube, Fig. 17 presents the comprehensive analysis of nanofluids in the smooth tube and the spirally fluted tube based on the Eq. (12). It can be found that the highest comprehensive evaluation index ξ for spirally fluted tube is about at Re = 2300 which is the critical Reynolds number between laminar flow and turbulent flow. The increases of the Nusselt number and frictional resistance coefficients are mainly due to the nanoparticles, the Reynolds number, and the screw structure of spirally fluted tube. For spirally fluted tube, due to the screw structure, the increase of the Nusselt number is larger than the increase of frictional resistance coefficients at small Reynolds number (Re ≤ 2300); conversely, the increase of the Nusselt number is smaller than the increase of frictional resistance coefficients at big Reynolds number (Re > 2300). Also, the comprehensive evaluation index ξ for the smooth tube increases with the Reynolds number. The increase of the Nusselt number is always larger than the increase of frictional resistance coefficients because the smooth tube has no screw structure. The conclusions of Fig. 17 are very important for the choices of tubes and Reynolds numbers in the heat-exchange equipment considering the comprehensive evaluation of the thermo-hydraulic performance. For the smooth tube, the higher Reynolds number can be chosen due to the factor that the thermo-hydraulic index always increases with the Reynolds number. While for the spirally fluted tube, the appropriate Reynolds number for the highest thermo-hydraulic index is about 2300.
Comprehensive analysis of the two tubes. Comprehensive analysis of nanofluids in the smooth tube and the spirally fluted tube
The flow and heat transfer characteristics of TiO2 -water nanofluids in a spirally fluted tube are experimentally studied. Some conclusions are obtained as follows:
TiO2 -water nanofluids with different nanoparticle mass fractions are prepared, and TiO2 -water nanofluids with M = 6 wt% and pH = 8 have the lowest transmittance and show the best stability.
<리> (2)For TiO2 -water nanofluids in the spirally fluted tube, there is a larger increase in heat transfer and a smaller increase in frictional resistance coefficients for turbulent flow than that for laminar flow.
<리> (3)TiO2 -water nanofluids in the spirally fluted tube have a larger enhancement than that in the smooth tube. TiO2 -water nanofluids in the spirally fluted tube can enhance the heat transfer by 257.9% at best compared with that in the smooth tube.
<리> (4)The highest comprehensive evaluation indexes of TiO2 -water nanofluids in the spirally fluted tube and smooth tube are different. For the spirally fluted tube, the highest comprehensive evaluation index ξ is at Re = 2300 which is the critical Reynolds number between the laminar flow and the turbulent flow. For the smooth tube, the comprehensive evaluation index ξ increases with the Reynolds number.
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