Analyse thermohydraulique de nanoplaquettes de graphène fonctionnalisées covalentes et non covalentes dans un tube circulaire équipé de turbulateurs

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 17710 (2022) Citer cet article

Les nanofluides covalents et non covalents ont été testés à l'intérieur d'un tube circulaire équipé d'inserts de ruban torsadé avec des angles d'hélice de 45° et 90°. Le nombre de Reynolds était de 7 000 ≤ Re ≤ 17 000 et les propriétés thermophysiques ont été évaluées à 308 K. Le modèle physique a été résolu numériquement via un modèle de viscosité de Foucault à deux équations (turbulence SST k-omega). Les nanofluides GNPs-SDBS@DW et GNPs-COOH@DW avec des concentrations (0,025% en poids, 0,05% en poids et 0,1% en poids) ont été pris en compte dans cette étude. Les parois des tuyaux torsadés ont été chauffées à une température constante de 330 K. L'étude actuelle a pris en compte six paramètres : la température de sortie, le coefficient de transfert de chaleur, le nombre de Nusselt moyen, le facteur de frottement, la perte de charge et le critère d'évaluation des performances. Dans les deux cas (angles d'hélice de 45° et 90°), les nanofluides GNPs-SDBS@DW présentaient des performances thermohydrauliques supérieures à celles de GNPs-COOH@DW et augmentaient en augmentant les fractions massiques telles que 1,17 pour 0,025 % en poids, 1,19 pour 0,05 % en poids. % et 1,26 pour 0,1 % en poids. Pendant ce temps, dans les deux cas (angles d'hélice de 45° et 90°), la valeur des performances thermohydrauliques utilisant GNPs-COOH@DW était de 1,02 pour 0,025 % en poids, 1,05 pour 0,05 % en poids et 1,02 pour 0,1 % en poids.

Les échangeurs de chaleur sont des dispositifs thermiques utilisés pour transporter la chaleur pendant les opérations de refroidissement et de chauffage1. Les performances thermohydrauliques de l'échangeur de chaleur augmentent les coefficients de transfert de chaleur et réduisent la résistance du fluide de travail. Certaines techniques d'amélioration du transfert de chaleur ont été développées, notamment les promoteurs de turbulence2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 et les nanofluides12,13,14,15. En raison de sa simplicité de maintenance et de son faible coût, l’insertion de ruban torsadé est l’un des moyens les plus efficaces d’améliorer le transfert de chaleur dans un échangeur de chaleur7,16.

Dans une série de recherches expérimentales et informatiques, les caractéristiques hydrothermales d'un mélange de nanofluides et d'un échangeur de chaleur doté d'inserts en ruban torsadé ont été étudiées. Des travaux expérimentaux ont exploré les propriétés hydrothermales de trois nanofluides métalliques différents (Ag@DW, Fe@DW et Cu@DW) au sein d'un échangeur de chaleur à bandes torsadées à pointes (STT)17. Le coefficient de transfert thermique du STT a augmenté de 11 et 67 % par rapport au tube de base. La configuration SST était la plus rentable sur la base du facteur de performance, avec les paramètres α = β = 0,33. De plus, une augmentation de 18,2 % a été observée avec Ag@DW, même si la plus forte augmentation de la perte de pression n'était que de 8,5 %. Les caractéristiques physiques de transfert de chaleur et de perte de pression dans un tube concentrique avec et sans turbulateurs à bobine de fil (WC) ont été explorées en utilisant un flux de nanofluide à convection forcée turbulente Al2O3@DW18. Le nombre de Nusselt moyen maximum (Nuavg) et la perte de pression ont été observés sous le Re = 20 000 lorsque la bobine de fil de pas = 25 mm et 1,6 % en volume de nanofluides Al2O3@DW. Des études en laboratoire ont également été menées pour étudier les caractéristiques de transfert de chaleur et de perte de pression des nanofluides d'oxyde de graphène (GO@DW) circulant dans un tube circulaire basique doté d'inserts WC19. Selon les résultats, 0,12 % en volume-GO@DW a augmenté le coefficient de transfert de chaleur par convection d'environ 77 %. Une étude expérimentale supplémentaire a développé le nanofluide (TiO2@DW), examinant les performances thermohydrauliques de tubes alvéolés équipés d'inserts de ruban torsadé20. La plus grande efficacité thermohydraulique de 1,258 a été obtenue en utilisant 0,15 % en volume de TiO2@DW dans une fossette inclinée à 45° et encastrée avec un rapport de bande torsadée de 3,0. Les modèles de simulation monophasés et biphasés (mixtes) ont résolu le flux de nanofluide CuO@DW et le transfert de chaleur dans les différentes concentrations de solides (1 à 4 % en volume %)21. L'efficacité thermique maximale dans un tube avec une insertion de ruban torsadé était de 2,18, mais elle était de 2,04 dans un tube avec deux insertions de ruban torsadé dans les mêmes conditions (modèle biphasé, Re = 36 000 et 4 % en volume). Le flux nanofluidique turbulent non newtonien de carboxyméthylcellulose (CMC) et d'oxyde de cuivre (CuO) a été examiné dans un tuyau basique et un tuyau comportant des insertions torsadées22. Nuavg a démontré des améliorations telles que 16,1 % (pour un tuyau de base) et 60 % [pour un tuyau torsadé avec un rapport de (H/D = 5)]. Souvent, le rapport de bande torsadé plus petit a établi un facteur de friction plus élevé. Une étude expérimentale a examiné les influences d'un tuyau comportant un ruban torsadé (TT) et une bobine de fil (WC) sur les propriétés du transfert de chaleur et du facteur de friction à l'aide du nanofluide CuO@DW23. L'utilisation de 0,3% en volume-CuO@DW à Re = 20 000 a amélioré le transfert de chaleur jusqu'à sa valeur maximale de 44,45 % dans un tube WC-2. De plus, en appliquant des insertions de ruban torsadé et de bobines de fil dans les mêmes conditions limites, les facteurs de frottement ont augmenté de 1,17 fois et 1,19 fois par rapport au DW. En général, le facteur de performance thermique des nanofluides avec insertions de bobines de fil était meilleur que celui des insertions de bandes torsadées. Les performances globales de l’écoulement nanofluidique turbulent (MWCNTs@DW) ont été examinées à l’intérieur d’un tuyau horizontal avec un fil enroulé inséré24. Tous les cas présentaient un paramètre de performance thermique > 1, indiquant que la combinaison de nanofluides avec des insertions de bobines de fil améliorait le transfert de chaleur sans consommer de puissance de pompage. Des expériences dans des conditions d'écoulement turbulent de nanofluides Al2O3 + TiO2@DW ont été réalisées sur les propriétés hydrothermales dans un échangeur de chaleur à double tube comportant diverses insertions de ruban torsadé à coupe en V modifiée (VcTT)25. Nuavg a été considérablement amélioré d'un pourcentage de 132 % et le facteur de friction a atteint 55 % par rapport au DW dans un tuyau de base. En outre, l’efficacité exergétique du nanocomposite Al2O3 + TiO2@DW a été discutée dans un échangeur de chaleur à double tube26. Ils ont découvert dans leurs recherches que l'utilisation de Al2O3 + TiO2@DW et TT augmentait l'efficacité exergétique par rapport au DW. Dans un échangeur de chaleur à tubes concentriques doté d'un turbulateur VcTT, Singh et Sarkar27 ont utilisé des nanofluides mono/nanocomposites dispersés en matériau à changement de phase (PCM) (Al2O3@DW avec PCM et Al2O3 + PCM). Ils ont rapporté que le transfert de chaleur et la perte de pression augmentaient lorsque le taux de torsion diminuait et que la concentration de nanoparticules augmentait. Un transfert de chaleur et une perte de pression plus importants ont été obtenus avec un rapport de profondeur de coupe en V plus grand ou un rapport de largeur inférieur. De plus, le graphène – platine (Gr-Pt) a été appliqué pour examiner les taux de production d'entropie thermique, de friction et totale dans des tubes comportant des insertions de 2-TT . Leur étude a noté qu'un pourcentage moindre de (Gr-Pt) diminuait significativement la formation d'entropie thermique qu'un développement d'entropie de friction relativement accru. Le nanofluide hybride Al2O3@MgO et le WC conique peuvent être considérés comme un bon mélange en raison du rapport amélioré (h/Δp) permettant d'améliorer les propriétés hydrothermales d'un échangeur de chaleur à double tuyau . Un modèle numérique a été utilisé pour résoudre l'efficacité environnementale exergo-économique d'un échangeur de chaleur comportant divers nanofluides hybrides tripartites (THNF) (Al2O3 + graphène + MWCNT) en suspension dans du DW30. La combinaison d'un insert de turbulateur torsadé à fossettes (DTTI) et de (Al2O3 + graphène + MWCNT) était souhaitée car ses critères d'évaluation des performances (PEC) étaient compris entre 1,42 et 2,35.