Улучшение теплопереноса и течения TiO₂-водных нанофлюидов в спирально-ружьеватых против гладких труб

Аннотация

Это исследование экспериментально исследует течение и теплопередачу TiO₂-водных нанофлюидов с переменными массовыми долями наночастиц в спирально-ружьеватых и гладких нержавеющих трубах на широком диапазоне чисел Рейнольдса. Стабильность оценивается новым методом пропускания с УФ спектрофотометром, раскрывая оптимальную дисперсию при 6 мас.% дисперганта и pH 8. Результаты показывают, что спирально-ружьеватые трубы дают превосходный прирост теплопередачи (до 257,9% над гладкими трубами) при незначительных трениях. Турбулентное течение в ружьеватой трубе дает наибольшее отношение теплового усиления к трению. Комплексный индекс производительности ξ пикируется при Re ≈ 2300 для ружьеватой трубы, в то время как он непрерывно растет с Re для гладкой трубы. Эти находки дают четкое руководство для выбора геометрии трубы и операционных условий в теплообменниках на базе нанофлюидов.

Введение

Нанофлюиды — суспензии наночастиц в базовой жидкости — предлагают замечательные способности теплопереноса, позволяя прогресс в солнечных термических системах, десалинации и охлаждении электроники. Хотя многие исследования изучали гладкие или гофрированные трубы, комплексные сравнения между спирально-ружьеватыми и гладкими геометриями остаются редкими. Эта работа заполняет этот пробел, сочетая экспериментальные измерения с новой техникой оценки стабильности и целостной метрикой производительности.

Методы

Приготовление нанофлюида и оценка стабильности

TiO₂ наночастицы (20-100 нм) диспергировали в деионизированной воде двухступенчатым методом: 30-мин механическое перемешивание с последующим 40-мин ультразвуком. 6 мас.% диспергант (PAA) и pH 8 использовали для всех образцов. Стабильность оценивали как обычным осадочным тестом, так и количественным методом пропускания; последний демонстрировал, что образцы с 0,1, 0,3 и 0,5 мас.% TiO₂ сохраняют отличную стабильность за 72 ч.

Экспериментальная установка

Испытательный стенд включал 1,2 м длинную нержавеющую трубу (эквивалентный диаметр 0,01 м) с 1 м центральным измерительным участком. DC источник питания нагревал трубу; 10 T-типа термопар измеряли температуру стенки, в то время как K-типа зонды фиксировали входную и выходную температуры жидкости. Перепад давления записывали дифференциальным датчиком давления. Расходы контролировали точным насосом.

Ключевые уравнения

• Тепловой вход: Q₀ = U I
• Тепловая нагрузка жидкости: Q_f = c_p ṁ (T_out – T_in)
• Эффективная теплоемкость и плотность рассчитывали через правила смешения (уравнения 3 и 10).
• Число Рейнольдса: Re = ρ u d_e / μ_f
• Коэффициент конвекции: h_f = Q_f / (π d_e l (T_iw – T_f))
• Число Нуссельта: Nu = h_f d_e / λ_f
• Коэффициент трения: f = 2 d_e / (ρ u²) (Δp/Δl)
• Комплексный индекс производительности: ξ = (Nu/Nu_bf) / (f/f_bf)^{1/3}

Результаты и обсуждение

Валидация системы

Сравнения с литературой для воды подтверждают, что числа Нуссельта и коэффициенты трения совпадают с опубликованными данными в пределах ±3,5% в ламинарных и турбулентных режимах, валидируя экспериментальный стенд.

Производительность гладкой трубы

Увеличение загрузки TiO₂ повышает число Нуссельта на 11,2% (0,5 мас.%) до 16,1% (0,5 мас.%) в турбулентном течении. Коэффициенты трения растут скромно (≤8% в ламинарном, ≤3% в турбулентном). Теплопроводность увеличивается 0,17-1,6%, в то время как вязкость растет 2,5-13,6%, причем первое доминирует в теплопередаче в ламинарном течении, а второе становится более значимым при более высоких числах Рейнольдса.

Производительность спирально-ружьеватой трубы

Ружьеватая геометрия усиливает пользу TiO₂: числа Нуссельта улучшаются до 42,8% (0,5 мас.%) в турбулентном течении, превосходя гладкую трубу на 240-260%. Коэффициенты трения увеличиваются заметнее (≈20% ламинарное, ≈10% турбулентное) из-за винтовой структуры, однако чистый индекс производительности ξ пикируется при Re ≈ 2300, где тепловые выигрыши перевешивают трения штрафы.

Комплексная оценка

Метрика ξ раскрывает, что спирально-ружьеватая труба дает высшую производительность близко к ламинарно-турбулентному переходу, в то время как гладкая труба выигрывает от прогрессивно более высоких чисел Рейнольдса. Этот инсайт информирует оптимальный выбор трубы и операционных условий для нанофлюидных теплообменников.

Заключение

1. Стабильные TiO₂-водные нанофлюиды достигаются с 6 мас.% дисперганта и pH 8; измерения пропускания подтверждают качество дисперсии.
2. В спирально-ружьеватых трубах турбулентное течение дает наибольшее усиление теплопередачи при сравнительно меньшем росте трения.
3. Ружьеватые трубы обеспечивают прирост теплопередачи, превышающий 250% над гладкими трубами для 0,5 мас.% загрузки TiO₂.
4. Оптимальная комплексная производительность в ружьеватых трубах при Re ≈ 2300; для гладких труб производительность непрерывно улучшается с ростом чисел Рейнольдса.