タービュレーターを取り付けた円管内の共有結合および非共有結合で官能化されたグラフェンナノプレートレットの熱水力学的分析

Scientific Reports volume 12、記事番号: 17710 (2022) この記事を引用

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共有結合性および非共有結合性のナノ流体は、らせん角 45°および 90°のツイストテープインサートを取り付けた円形チューブ内でテストされました。レイノルズ数は 7000 ≤ Re ≤ 17,000 で、熱物理的性質は 308 K で評価されました。物理モデルは 2 方程式渦粘性モデル (SST k-オメガ乱流) を介して数値的に解かれました。この研究では、濃度 (0.025 wt.%、0.05 wt.%、および 0.1 wt.%) の GNPs-SDBS@DW および GNPs-COOH@DW ナノ流体が検討されました。ねじれたパイプの壁は 330 K の一定温度で加熱されました。今回の研究では、出口温度、熱伝達係数、平均ヌッセルト数、摩擦係数、圧力損失、および性能評価基準の 6 つのパラメーターが考慮されました。どちらの場合（らせん角 45°および 90°）でも、GNPs-SDBS@DW ナノ流体は、GNPs-COOH@DW よりも高い熱水力学的性能を示し、0.025 wt.% の場合は 1.17、0.05 wt.% の場合は 1.19 など、質量分率を増加させることで向上しました。 %、0.1重量%の場合は1.26。一方、両方の場合（ねじれ角 45°および 90°）において、GNPs-COOH@DW を使用した熱水力学的性能の値は、0.025 wt.% の場合は 1.02、0.05 wt.% の場合は 1.05、0.1 wt.% の場合は 1.02 でした。

熱交換器は、冷暖房運転中に熱を輸送するために使用される熱装置です1。熱交換器の熱油圧性能により、熱伝達係数が向上し、作動流体の抵抗が低下します。乱流促進剤 2、3、4、5、6、7、8、9、10、11 やナノ流体 12、13、14、15 など、いくつかの熱伝達促進技術が開発されています。メンテナンスが簡単でコストが低いため、ツイストテープ挿入は、熱交換器内の熱伝達を高める最も成功した方法の 1 つです7,16。

一連の実験的および計算的研究において、ナノ流体の混合物とねじれたテープインサートを備えた熱交換器の水熱特性が調査されました。実験研究では、スパイキーツイストテープ (STT) を備えた熱交換器内の 3 つの異なる金属ナノ流体 (Ag@DW、Fe@DW、および Cu@DW) の水熱特性を調査しました。 STT の熱伝達率は、基本パイプと比較して 11 および 67% 向上しました。 SST 配置は、パラメータ α = β = 0.33 を使用したパフォーマンス係数に基づくコスト効率が最も優れていました。さらに、圧力損失の最大増加はわずか 8.5% であったにもかかわらず、Ag@DW を使用すると 18.2% の n 増加が観察されました。ワイヤーコイル (WC) タービュレーターの有無にかかわらず、同心円管における熱伝達と圧力損失の物理的特性を、乱流強制対流 Al2O3@DW ナノ流体流を使用して調査しました18。最大平均ヌッセルト数 (Nuavg) と圧力損失は、ピッチワイヤーコイル = 25 mm および 1.6 体積%-Al2O3@DW ナノ流体の場合、Re = 20,000 で見られました。 WC インサートを備えた基本的な円管を流れる酸化グラフェン (GO@DW) ナノ流体の熱伝達と圧力損失の特徴を調査するための実験室研究も実施されました 19。結果によると、0.12 volume%-GO@DW は対流熱伝達係数を約 77% 上昇させました。追加の実験研究では、(TiO2@DW) ナノ流体を開発し、ねじれたテープインサートを取り付けたディンプル付きチューブの熱水力学的性能を調べました 20。最大の熱水力効率 1.258 は、傾斜した 45°ディンプル内に 0.15 体積%の TiO2@DW を使用し、ツイストテープ比 3.0 で埋め込まれたものを使用して達成されました。単相および二相 (混合) シミュレーションモデルは、さまざまな固体濃度 (1 ～ 4% 体積%) での CuO@DW ナノ流体の流れと熱伝達を解決しました 21。 1 回のテープ挿入をツイストしたチューブの最大熱効率は 2.18 でしたが、同じ条件で 2 回のツイストテープ挿入を行ったチューブ (二相モデル、Re = 36,000、4 体積%) では 2.04 でした。カルボキシメチルセルロース (CMC) と酸化銅 (CuO) の非ニュートン乱流ナノ流体の流れを、基本パイプとねじれたインサートを備えたパイプで調べました 22。 Nuavg は、16.1% (基本パイプの場合)、60% (H/D = 5) の比率のツイストパイプの場合などの改善を実証しました。多くの場合、テープの撚り比率が小さいほど、より高い摩擦係数が確立されます。実験研究では、CuO@DW ナノ流体 23 を使用して、ツイストテープ (TT) とワイヤーコイル (WC) を備えたパイプが熱伝達と摩擦係数特性に及ぼす影響を調べました。 Re = 20,000 で 0.3volume%-CuO@DW を使用すると、WC-2 チューブ内での熱伝達が最大値の 44.45% まで向上しました。さらに、同じ境界条件でツイストテープとワイヤコイル挿入を適用することにより、摩擦係数はDWと比較して1.17倍および1.19倍増加しました。一般に、ワイヤーコイルを挿入したナノ流体の熱性能係数は、ツイストテープを挿入した場合よりも優れていました。乱流 (MWCNTs@DW) ナノ流体流の全体的な性能は、コイル状のワイヤーが挿入された水平パイプ内で検査されました 24。すべてのケースで熱性能パラメータ > 1 があり、ナノ流体とワイヤコイル挿入を組み合わせることで、ポンピングパワーを消費せずに熱伝達が向上したことが示されました。 Al2O3 + TiO2@DW ナノ流体乱流条件下での実験は、さまざまな改良型 V カットツイストテープ (VcTT) 挿入を備えた二重管熱交換器における水熱特性について実施されました 25。 Nuavg は 132% の割合で大幅に強化され、基本的なパイプの DW と比較した場合、摩擦係数は最大 55% になりました。また、ナノコンポジット Al2O3 + TiO2@DW の発熱効果が二重管熱交換器内で議論されました 26。彼らは、Al2O3 + TiO2@DW および TT を使用すると、DW に比べてエクセルギー効率が増加することを研究で発見しました。 Singh と Sarkar27 は、VcTT タービュレーターを備えた同心管熱交換器において、相変化材料 (PCM) が分散したモノ/ナノ複合ナノ流体 (PCM および Al2O3 + PCM を含む Al2O3@DW) を使用しました。彼らは、ねじり比が減少し、ナノ粒子濃度が増加すると、熱伝達と圧力損失が増加すると報告しました。 Vカット深さ比が大きいほど、または幅比が小さいほど、より大きな熱伝達と圧力損失が得られます。さらに、グラフェン - プラチナ (Gr-Pt) を適用して、2-TT 挿入を有するチューブの熱、摩擦、および総エントロピー生成速度を調べました 28。彼らの研究は、(Gr-Pt) の割合が少ないと、摩擦エントロピーの発生が相対的に増加するのではなく、熱エントロピーの生成が大幅に減少することに注目しました。 Al2O3@MgO ハイブリッドナノ流体とテーパー WC は、(h/Δp) 比が向上し、二重管熱交換器の水熱特性が向上するため、良好な混合物と見なすことができます 29。数値モデルを使用して、DW30 に懸濁されたさまざまな三成分ハイブリッドナノ流体 (THNF) (Al2O3 + グラフェン + MWCNT) を有する熱交換器のエクセルゴ経済的環境効率を解決しました。ディンプル付きツイストタービュレーターインサート (DTTI) と (Al2O3 + グラフェン + MWCNT) の組み合わせが望まれていたのは、その性能評価基準 (PEC) が 1.42 ～ 2.35 の範囲にあったためです。

これまでのところ、熱流体における水力学的流れに対する共有結合および非共有結合による官能基化の役割にはほとんど注目されていません。この研究の具体的な目的は、ねじれ角 45 度および 90 度のツイストテープインサート内の (GNPs-SDBS@DW) および (GNPs-COOH@DW) ナノ流体の熱流体性能を比較することでした。熱物性は錫 = 308 K で測定されました。一方、比較中に 3 つの質量分率 (0.025 wt.%、0.05 wt.%、0.1 wt.%) が考慮されました。三次元乱流におけるせん断応力輸送 (SST k-ω) モデルを使用して、熱水力学的性能を解決しました。その結果、この研究は、そのような工学システムにおける実際の作動流体の熱油圧性能と最適化を証明することにより、正の特性 (熱伝達) と負の特性 (摩擦圧力降下) の研究に大きく貢献します。

基本構成は滑らかなパイプ (L = 900 mm、Dh = 20 mm) です。ツイストテープの寸法は（長さ＝２０ｍｍ、厚さ＝０．５ｍｍ、外形＝３０ｍｍ）で挿入した。一方、螺旋プロファイルの長さ、幅、経路は 20 mm、0.5 mm、30 mm でした。ツイストテープを 45°と 90°の角度で傾けました。 DW、非共有結合性ナノ流体 (GNPs-SDBS@DW)、共有結合性ナノ流体 (GNPs-COOH@DW) などのさまざまな作動流体を、錫 = 308 K、3 つの異なる質量濃度、および異なるレイノルズ数で熱交換器内でテストしました。。スパイラルパイプの外壁は、熱伝達促進パラメータを調べるために、330 K の一定の表面温度で加熱されました。

図 1 は、適用可能な境界条件とグリッドドメインを備えたツイストテープ挿入パイプの概略設計を示しています。前述したように、速度と圧力の境界条件がスパイラルパイプの入口部分と出口部分に適用されます。一定の表面温度の下でパイプ壁に滑り止め状態が適用されます。現在の数値シミュレーションでは、圧力ベースの解決策が使用されました。一方、(ANSYS FLUENT 2020R1) プログラムは、有限体積法 (FVM) を使用して偏微分方程式 (PDE) を代数方程式系に変換するために使用されました。二次 SIMPLE (圧力連動方程式一貫性の半陰的手法) 方法論は、速度と圧力を相関させます。質量、運動量、およびエネルギー方程式の残差の収束がそれぞれ 103 および 106 未満であることを強調する必要があります。

p の物理領域と計算領域の概略図。 (a) ねじれ角 90°、(b) ねじれ角 45°、(c) ねじれブレードなし。

均一モデルは、ナノ流体の性質を説明するために使用されます。ベース流体（DW）にナノマテリアルを添加することで、優れた熱物性特性を備えた連続流体が形成されます。この点において、ベース流体とナノマテリアルの温度と速度は同じ値になります。本研究における上記の理論と仮説により、有効な単相流が機能します。いくつかの試験により、ナノ流体の流れに対する単相技術の有効性と適用性が確認されています 31,32。

ナノ流体の流れは、ニュートン乱流、非圧縮性、定常状態であると考えられています。この調査では、圧縮仕事と粘性加熱は重要ではありません。また、パイプの内壁と外壁の厚さは考慮されません。したがって、熱モデルの質量、運動量、エネルギー保存を支配する方程式は次のように表すことができます 33:

質量の支配方程式

運動量の支配方程式

エネルギー輸送の支配方程式

ここで、\(\overrightarrow{V}\) は平均速度ベクトル、Keff = K + Kt は共有結合および非共有結合のナノ流体の実効熱伝導率、ϵ はエネルギー散逸率です。温度 308 K での実験研究 34 で測定された密度 (ρ)、粘度 (μ)、比熱容量 (Cp)、熱伝導率 (k) を含むナノ流体の有効熱物理的特性を表に示します。これらのシミュレーションでは 1 が使用されました。

プレーンパイプと TT パイプ内の乱流ナノ流体の流れを、7000 ≤ Re ≤ 17,000 のレイノルズ数条件で数値シミュレーションしました。これらのシミュレーションケースと対流熱伝達係数は、空力研究に一般的に使用される 2 方程式レイノルズ平均ナビエ・ストークス乱流モデルであるメンターせん断応力輸送 (SST) κ-ω 乱流モデルを適用して解析されました。さらに、このモデルは壁機能なしで動作し、壁近くで正確です35、36。 (SST) κ-ω 乱流モデルを支配する方程式は次のとおりです。

動渦粘度

乱流の運動エネルギー

比放散率

閉包係数と補助関係

ここで、 \(S\) はひずみ速度の大きさ、 \(y\) は次の表面までの距離です。一方、\({\alpha }_{1}\)、\({\alpha }_{2}\)、\({\beta }_{1}\)、\({\beta }_{2) }\)、\({\beta }^{*}\)、\({\sigma }_{{k}_{1}}\)、\({\sigma }_{{k}_{2 }}\)、\({\sigma }_{{\omega }_{1}}\)、および \({\sigma }_{{\omega }_{2}}\) はすべてのモデル定数を表します。 F1 と F2 はブレンド機能を指します。注: F1 = 境界層の内側では 1、自由ストリームでは 0。

性能評価パラメータは、乱流の対流熱伝達、共有結合および非共有結合のナノ流体の流れを調べるために使用されます。次のような 31:

レイノルズ数

プラントル数

熱利得(W)

熱伝達率(W/m2・K)

平均ヌッセルト数

摩擦係数

圧力損失

ディトゥス・ベルター方程式

ペトゥホフ方程式

グニエリンスキー方程式

ノッター・ラウス方程式

ブラジウス方程式

熱油圧性能

この点に関して、(\(\rho\))、(\(v\))、(\({D}_{h}\))、および (\(\mu\)) が密度に使用されます。流体速度、水力直径、および動粘度。 (\({C}_{p}\, \mathrm{and}\, k\)) は、流れる流体の比熱容量と熱伝導率です。また、(\(\dot{m}\)) は質量流量を表し、(\({T}_{out}-{T}_{in}\)) は出口と入口の温度差を表します。 (NF) は共有結合性および非共有結合性のナノ流体を指し、(DW) は蒸留水 (ベース流体) を指します。 \({A}_{s} = \pi DL\), \({\overline{T} }_{f}=\frac{\left({T}_{out}-{T}_{in }\right)}{2}\) と \({\overline{T} }_{w}=\sum \frac{{T}_{w}}{n}\)。

ベース流体 (DW)、非共有結合性ナノ流体 (GNPs-SDBS@DW)、および共有結合性ナノ流体 (GNPs-COOH@DW) の熱物理的特性は、錫 = 308 K での公開文献 (実験研究) から収集されました。典型的な実験では、既知の質量パーセントの非共有結合 (GNP-SDBS@DW) ナノ流体を生成するために、特定のグラムの未処理の GNP をデジタル天秤で最初に秤量しました。 SDBS/未処理GNPの重量比(0.5:1)をDWに懸濁した。一方、共有結合（COOH-GNPs@DW）ナノ流体は、HNO3とH2SO4の体積比（1：3）の強酸媒体を使用して合成され、GNPの表面にカルボキシル基を追加しました。共有結合性および非共有結合性のナノ流体は、０．０２５重量％、０．０５重量％および０．１重量％などの３つの異なる質量パーセントでＤＷ中に懸濁された。

グリッド独立性テストは 4 つの異なる計算ドメインで実行され、グリッドサイズがシミュレーションに影響を与えないことを確認しました。 45°ツイストパイプの場合、エレメント数は、エレメントサイズ1.75mmの場合249,033本、エレメントサイズ2mmの場合307,969本、エレメントサイズ2.25mmの場合421,406本、エレメントサイズ2.5mmの場合564,940本でした。また、90°ねじり管の場合のエレメント数は、エレメントサイズ1.75mmの場合は245,531個、エレメントサイズ2mmの場合は311,584個、エレメントサイズ2.25mmの場合は422,708個、エレメントサイズ2.5mmの場合は573,826個でした。。要素数を減らすことで、(Tout、htc、Nuavg) 読み取り値などの熱特性の精度が向上しました。一方、摩擦係数と圧力損失値の精度はまったく異なる挙動を示しました（図2）。グリッド (2) は、シミュレーションの場合の熱水力学的パフォーマンスを評価するためのメインメッシュドメインとして使用されました。

DW の 45° および 90° ツイストパイプを使用した、熱伝達と圧力損失特性のグリッド独立性テスト。

現在の数値結果は、熱伝達と摩擦係数の特性について、Dittus-Boelter、Petukhov、Gnielinski、Notter-Rouse、Blasius などのよく知られた経験的な相関関係や方程式を使用して検証されました。 7000≦Re≦17000の条件で比較しました。図 3 に示すように、シミュレーション結果と熱伝達方程式の間の平均誤差と最大誤差は、4.050% と 5.490% (Dittus-Boelter)、9.736% と 11.33% (Petukhov)、4.007% と 7.483% (Gnielinski) でした。 3.883% と 4.937% (ノッター・ラウズ)。一方、シミュレーション結果と摩擦係数式の間の平均誤差と最大誤差は、7.346% と 8.039% (Blasius)、および 8.117% と 9.002% (Petukhov) でした。

数値計算と経験的相関を使用した、さまざまなレイノルズ数での DW の熱伝達と流体流動特性。

このセクションでは、3 つのさまざまな質量分率での非共有結合 (GNPs-SDBS) および共有結合 (GNPs-COOH) ベースの水ナノ流体の熱水力学特性と、ベース流体 (DW) に対する平均のレイノルズ数について説明します。 7000 ≤ Re ≤ 17,000 で、(ねじれ角 45° および 90°) の 2 つの形状のツイストテープ熱交換器について検討しました。図 4 は、ナノ流体からベース流体への平均出口温度 (DW) (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}) を示しています。 \)) (0.025 wt.%、0.05 wt.%、および 0.1 wt.%)。 (\(\frac{{{T}_{out}}_{NFs}}{{{T}_{out}}_{DW}}\)) は常に 1 未満です。つまり、出口温度は非共有結合（GNPs-SDBS）および共有結合（GNPs-COOH）ナノ流体は、ベース流体の出口温度よりも低かった。最小および最大の減少は、それぞれ、0.1 wt.%-COOH@GNP および 0.1 wt.%-SDBS@GNP によって達成されました。この現象は、一定の重量分率でのレイノルズ数の増加によって引き起こされ、ナノ流体の特性 (つまり、密度と動粘度) に変化が生じます。

45°および90°チューブのナノ流体からベース流体への出口温度とレイノルズ数の関係。

図 5 および 6 は、(0.025 wt.%、0.05 wt.%、および 0.1 wt.%) でのベース流体 (DW) に対するナノ流体の平均熱伝達特性を示しています。平均熱伝達特性は常に 1 より大きく、非共有結合 (GNPs-SDBS) および共有結合 (GNPs-COOH) ナノ流体の熱伝達特性がベース流体と比較して向上したことを意味します。最低および最高の増強は、それぞれ０．１重量％－ＣＯＯＨ＠ＧＮＰおよび０．１重量％－ＳＤＢＳ＠ＧＮＰによって達成された。チューブ 1 内の流体の混合と乱流が大きくなり、レイノルズ数が増加すると、熱輸送特性が向上しました。小さな隙間を流れる液体の速度が速くなり、速度と熱の境界層が薄くなるため、熱伝達率が高まります。ベース流体にナノ粒子の割合を増やすと、プラスの結果もマイナスの結果も示されます。好ましい影響としては、ナノ粒子の衝突の増加、流体の熱伝導率、熱伝達増大に対する有益な要件などが挙げられます。

45°および90°チューブのナノ流体からベース流体への熱伝達係数とレイノルズ数の関係。

45°および90°チューブのベース流体に対するナノ流体の平均ヌッセルト数とレイノルズ数。

一方、マイナスの影響は、ナノ流体の動粘度の増加であり、これによりナノ流体の動きが減少し、したがって平均ヌッセルト数 (Nuavg) が減少します。 (GNPs-SDBS@DW) および (GNPs-COOH@DW) ナノ流体の熱伝導率の増加は、DW37 に懸濁されたグラフェンナノ粒子のブラウン運動と微小対流によるものと考えられます。 (GNPs-COOH@DW) ナノ流体は、(GNPs-SDBS@DW) ナノ流体および蒸留水よりも高い熱伝導率を持っていました。ベース流体にナノマテリアルの割合を増やすと、熱伝導率が増加しました (表 1)38。

図 7 は、質量パーセント (0.025%、0.05%、および 0.1%) でのナノ流体のベース流体 (DW) に対する平均摩擦係数 (f(NFs)/f(DW)) を説明しています。平均摩擦係数は常に ≈ 1 であり、非共有結合 (GNPs-SDBS@DW) および共有結合 (GNPs-COOH@DW) ナノ流体の摩擦係数がベース流体と同じであることを意味します。熱交換器のスペースが狭いと、流れの障害が増え、流れの摩擦が増加します1。主に、ナノ流体の質量パーセントの増加に伴い、摩擦係数がわずかに増加しました。摩擦損失の増加は、ベース流体中のナノグラフェンの質量パーセントが高いと、ナノ流体の動的粘度および表面のせん断応力が増加することによって引き起こされました。表 (1) によると、(GNPs-SDBS@DW) ナノ流体の動粘度は、同じ重量パーセントで (GNPs-COOH@DW) ナノ流体の動粘度よりも高かった。これは、ナノ流体の製造中に添加した界面活性剤の影響によるものである。非共有結合性ナノ流体。

45°および90°チューブのナノ流体とベース流体の摩擦係数とレイノルズ数。

図 8 は、ベース流体に対するナノ流体の平均圧力損失 (DW) (\(\frac{{\Delta P}_{NFs}}{{\Delta P}_{DW}}\)) を質量パーセントで示しています。 (0.025%、0.05%、0.1%)。非共有結合 (GNPs-SDBS@DW) ナノ流体は、重量パーセントを 0.025 wt.% の場合は 2.04%、0.05 wt.% の場合は 2.46%、0.1 wt.% の場合は 3.44% に増加させることで、より高い平均圧力損失と増加を示します。ケース (ねじれ角 45° および 90°)。一方、(GNPs-COOH@DW) ナノ流体は平均圧力損失が低く、0.025 wt.% の場合は 1.31% から 0.05 wt.% の場合は 1.65% に増加しました。 0.05 wt.%-COOH@GNP および 0.1 wt.%-COOH@GNP の平均圧力損失は 1.65% です。示されているように、圧力損失はすべての場合において Re 数の増分によって増加しました。高い Re 値での圧力損失の増加は、体積流量との直接的な関係によって正当化される可能性があります。したがって、チューブ内の Re 値が高くなると圧力降下が大きくなり、ポンピング力の増加が必要になります 39,40。さらに、より大きな表面積によって生成されるより大きな渦と乱流の強度によるより高い圧力損失により、境界層内の圧力力と慣性力との相互作用が増加しました1。

45°および90°チューブのベース流体に対するナノ流体の圧力降下とレイノルズ数。

全体として、非共有結合 (GNPs-SDBS@DW) および共有結合 (GNPs-COOH@DW) ナノ流体の性能評価基準 (PEC) を図 9 に示します。 (GNPs-SDBS@DW) ナノ流体は、ナノ流体よりも高い PEC 値を示します。 (GNPs-COOH@DW) 両方の場合 (らせん角 45° および 90°) で、0.025 wt.% の場合は 1.17、0.05 wt.% の場合は 1.19、0.1 wt.% の場合は 1.26 のように質量分率を増やすと増加します。一方、(GNPs-COOH@DW) ナノ流体を使用した PEC の値は、両方の場合 (らせん角 45°および 90°) で、0.025 wt.% の場合は 1.02、0.05 wt.% の場合は 1.05、0.1 wt.% の場合は 1.02 です。一般に、レイノルズ数が増加すると、熱流体性能係数は大幅に減少します。熱水力学的性能係数の系統的な低下は、レイノルズ数の増加に伴う (NuNFs/NuDW) の増加と (fNFs/fDW) の減少によるものと考えられます 1。

45°および90°チューブのベース流体に対するナノ流体の水熱性能とレイノルズ数の関係。

このセクションでは、3 つの異なる重量濃度とレイノルズ数における水 (DW)、非共有結合 (GNPs-SDBS@DW)、および共有結合 (GNPs-COOH@DW) ナノ流体の熱水力学的特性について説明します。熱水力学的特性の平均値を評価するために、平管に対して 7000 ≤ Re ≤ 17,000 の範囲で (ねじれ角 45° および 90°) の 2 つのツイストテープ熱交換器の形状が検討されました。図 10 は、平管 (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{ {T}_{アウト}}_{プレーン}}\))。非共有結合性 (GNPs-SDBS@DW) および共有結合性 (GNPs-COOH@DW) ナノ流体は、0.025 wt.%、0.05 wt.%、および 0.1 wt.% などの 3 つの異なる質量分率でした。図 11 に示すように、平均出口温度値 (\(\frac{{{T}_{out}}_{Twisted}}{{{T}_{out}}_{Plain}}\))は > 1 であり、(ねじれ角 45° および 90°) 熱交換器の出口温度が、より激しい乱流強度と良好な流体混合により、プレーンパイプの出口温度の値よりも重要であることを示しています。さらに、レイノルズ数が上昇するにつれて、DW、非共有結合、および共有結合のナノ流体の出口温度は低下します。ベース流体 (DW) の平均出力温度値が最も高くなります。一方、最低値は 0.1 wt.%-SDBS@GNP 専用です。非共有結合 (GNPs-SDBS@DW) ナノ流体は、共有結合 (GNPs-COOH@DW) ナノ流体と比較して低い平均出口温度を示します。テープがねじれることにより流れ場がさらに混合されるため、壁の熱流束が流体の流れを通過しやすくなり、バルク温度が上昇します。テープの撚り比率の値が小さいほど浸透が良くなり、熱伝達が向上します。一方、ねじれたテープは壁付近の温度を低く維持し、その結果 Nuavg が上昇することがわかります。ツイストテープインサートでは、Nuavg が高いほど、チューブ 22 全体の対流熱伝達が向上していることを示します。余分な混合と乱流の生成による流路の上昇による滞留時間の増加は、流体の出口温度の上昇をもたらします41。

さまざまなナノ流体のプレーンパイプとレイノルズ数を比較した出口温度 (45° および 90° の螺旋角)。

さまざまなナノ流体のプレーンパイプとレイノルズ数を比較した熱伝達係数 (45° および 90° の螺旋角)。

テープの撚りによる伝熱向上の主なメカニズムは次のとおりです。 1. 伝熱管の水力直径の減少により、流速と曲率が増加し、その結果、壁付近のせん断応力が増加し、二次運動が促進されます。 2. ツイストテープがブロックされるため、チューブ壁付近で速度が増加し、境界層の厚さが減少します。 3. ねじれたテープに続くらせん状の流れにより速度が増加します。 4. 誘導された旋回流により、コアと壁付近の流れ領域の間の流体混合が改善されます42。図11、図12にDWとナノ流体の熱伝達特性（熱伝達係数と平均ヌッセルト数）を平管に対するツイストテープインサートパイプを用いた場合の平均値として示しました。非共有結合性 (GNPs-SDBS@DW) および共有結合性 (GNPs-COOH@DW) ナノ流体は、0.025 wt.%、0.05 wt.%、および 0.1 wt.% などの 3 つの異なる質量分率でした。どちらの熱交換器 (ねじれ角 45° および 90°) でも、熱伝達特性の平均値は 1 以上であり、これは、平管と比較して、ねじり管を使用した場合の熱伝達係数と平均ヌッセルト数が向上していることを示しています。非共有結合 (GNPs-SDBS@DW) ナノ流体は、共有結合 (GNPs-COOH@DW) ナノ流体よりも高い平均熱伝達促進を示します。熱伝達特性の最高の増加は、Re = 900 の両方の熱交換器 (らせん角 45° および 90°) で 0.1 wt.%-SDBS@GNP の値 1.90 に達しました。これは、均一な TT の役割が重要であることを意味します。乱流強度の増加は、流体速度 (レイノルズ数) が低いほど大きくなります 43。 TT パイプの熱伝達係数と平均ヌッセルト数は、複数の渦流が誘導されるため、単純なパイプよりも高く、その結果、境界層が薄くなります。基本的なパイプ（ツイストテープ挿入なし）との比較、TT の存在により乱流強度の増加、作動流体の流れの混合、および熱伝達の強化が生じるかどうか 21。

さまざまなナノ流体のプレーンパイプに対する (らせん角 45° および 90°) の平均ヌッセルト数とレイノルズ数。

図 13 と 14 は、平均摩擦係数 (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain}}\)) と圧力損失 (\(\frac{{\Delta P}_) を示しています。 DW、(GNPs-SDBS@DW) および (GNPs-COOH@DW) ナノ流体を使用したプレーンパイプに対する 45° および 90° の熱交換器の {Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\)) (0.025 wt.%、0.05 wt.%、および 0.1 wt.%)。それは図から観察できます。図 13 と図 14 では、両方の熱交換器 (ねじれ角 45° と 90°) でレイノルズ数が増加するにつれて、摩擦係数の比 (\(\frac{{f}_{Twisted}}{{f}_{Plain} }\))、圧力損失(\(\frac{{\Delta P}_{Twisted}}{{\Delta P}_{Plain}}\))が減少します。評価したすべてのシナリオで、摩擦係数と圧力損失の値はレイノルズ数が低いほど優れています。平均摩擦係数と圧力損失は 3.78 ～ 3.12 です。平均摩擦係数と圧力損失は、熱交換器（ねじれ角45°および90°）の値が普通のパイプに比べて3倍上昇していることを示しています。さらに、より高い作動流体を流すことにより、摩擦係数が減少します。この問題は、レイノルズ数の上昇により境界層の厚さが減少し、動粘性による影響範囲が減少し、速度勾配やせん断応力が減少し、摩擦係数が低下するためである21。 TT の存在と旋回流の増加による遮断効果の向上により、不均一 TT パイプでは基本パイプよりもはるかに高い圧力損失が発生します。さらに、基本パイプと TT パイプの両方で、作動流体の速度が増加することによって圧力損失が増加していることがわかります 43。

さまざまなナノ流体のプレーンパイプに対する摩擦係数 (45° および 90° の螺旋角) とレイノルズ数の関係。

さまざまなナノ流体のプレーンパイプとレイノルズ数に対する圧力損失 (45° および 90° のねじれ角)。

一般に、図 15 は、プレーンパイプ (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\) に対する 45° および 90° 熱交換器の性能評価基準 (PEC) を示しています。 )) DW、(GNPs-SDBS@DW) および共有結合性 (GNPs-COOH@DW) ナノ流体 (0.025 wt.%、0.05 wt.%、および 0.1 wt.%) を使用します。 (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) の値は、両方のインスタンス (ねじれ角 45° および 90°) の熱交換器で > 1 です。さらに、(\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) のより良い値は Re = 11,000 で達成されます。 90 度の角度の熱交換器では、45 度の角度の熱交換器と比較して、値がわずかに増加しました (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) 。さらに、Re = 11,000 では、0.1 wt.%-GNPs@SDBS は、より高い (\(\frac{{PEC}_{Twisted}}{{PEC}_{Plain}}\)) 値を示します (例: 1.25)。 45 度の角度の熱交換器、90 度の角度の熱交換器の場合は 1.27。これは、すべての質量分率パーセンテージで 1 よりも大きく、ツイストテープインサートを備えたパイプが普通のパイプよりも優れていることを示しています。テープインサートによって熱伝達が増大すると、摩擦損失が大幅に増加することに注意してください22。

さまざまなナノ流体のプレーンパイプとレイノルズ数に対する (45° および 90° の螺旋角) の性能評価基準。

付録 A には、DW、0.1 wt.%-GNPs-SDBS@DW、および 0.1 wt.%-GNPs-COOH@DW を Re = 7000 で使用する 45° および 90° 熱交換器の速度流線が表示されます。横断面は、主流の流れに対するツイストテープインサートの影響の最も顕著な特徴です。 45° と 90° の熱交換器を適用すると、壁近くの領域でほぼ同じ速度が示されました。一方、付録 B は、Re = 7000 での DW、0.1 wt.%-GNPs-SDBS@DW、および 0.1 wt.%-GNPs-COOH@DW を使用した 45° および 90° 熱交換器の速度等高線を示しています。 Plain-1 (P1 = −30 mm)、Plain-4 (P4 = 60 mm)、Plain-7 (P7 = 150 mm) などの 3 つの別々の場所 (スライス) にあります。流速はパイプ壁付近で最も低くなり、パイプ中心の方向に流体の速度が増加します。また、パイプを横切って移動すると、壁の隣の低速ゾーンが増加します。これは、流体力学的境界層の成長により、壁に隣接する低速ゾーンの厚さが増加するためです。さらに、レイノルズ数が増加すると、すべての断面での総速度レベルが向上し、パイプを通る低速度ゾーンの厚さが減少します39。

共有結合および非共有結合で官能化されたグラフェンナノプレートレットを、らせん角 45° および 90° のツイストテープインサートの内側で評価しました。熱交換器は、7000 ≤ Re ≤ 17,000 の SST k-オメガ乱流モデルによって数値的に解析されました。熱物理的特性は、Tin = 308 K で計算されました。同時に、ねじれパイプの壁は 330 K の一定温度で加熱されました。(GNPs-SDBS@DW) および (GNPs-COOH@DW) の 3 つのナノ流体質量希釈（0.025 wt.%、0.05 wt.%、0.1 wt.%）など。現在の研究では、出口温度、熱伝達係数、平均ヌッセルト数、摩擦係数、圧力損失、性能評価基準の 6 つの主要な要素が考慮されています。主な調査結果は次のとおりです。

平均出口温度 (\({{T}_{out}}_{Nanofluids}\)/\({{T}_{out}}_{Basefluid}\)) は常に 1 未満です。非共有結合性 (GNPs-SDBS@DW) および共有結合性 (GNPs-COOH@DW) ナノ流体の出口温度は、ベース流体の出口温度よりも低かった。一方、平均出口温度 (\({{T}_{out}}_{Twisted}\)/\({{T}_{out}}_{Plain}\)) の値は > 1 であり、次のことを示しています。（ねじれ角 45°および 90°）の出口温度は、単純なパイプの出口温度の値よりも実質的でした。

どちらの場合も、熱伝達特性の平均 (ナノ流体/ベース流体) および (ねじれパイプ/平管) は常に > 1 を示します。非共有結合 (GNPs-SDBS@DW) ナノ流体は、共有結合 ( GNPs-COOH@DW) ナノ流体。

非共有結合性 (GNPs-SDBS@DW) および共有結合性 (GNPs-COOH@DW) ナノ流体の平均摩擦係数 (\({f}_{Nanofluids}/{f}_{Basefluid}\)) は常に ≈ 1 です。一方、非共有結合性 (GNPs-SDBS@DW) および共有結合性 (GNPs-COOH@DW) ナノ流体の平均摩擦係数 (\({f}_{Twisted}/{f}_{Plain}\)) は次のようになります。常に > 3。

どちらの場合（らせん角 45° と 90°）でも、（GNPs-SDBS@DW）ナノ流体は 2.04 というより高い値を示しました（\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)）。％は０．０２５重量％、２．４６％は０．０５重量％、３．４４％は０．１重量％である。その間、(GNPs-COOH@DW) ナノ流体は、0.025 wt.% の 1.31% から 1.65% まで、より低い (\({\Delta P}_{Nanofluids}/{\Delta P}_{Basefluid}\)) を示しました。０．０５重量％の場合。さらに、非共有結合(GNPs-SDBS@DW)と共有結合(GNPs-COOH@DW)の平均圧力損失(\({\Delta P}_{Twisted}/{\Delta P}_{Plain}\)) ) ナノ流体は常に > 3 です。

どちらの場合（らせん角 45° および 90°）でも、（GNPs-SDBS@DW）ナノ流体は（GNPs-COOH よりも高い（\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\)）値を示しました。 @DW)、0.025 wt.%の場合は1.17、0.05 wt.%の場合は1.19、0.1 wt.%の場合は1.26など。一方、(GNPs-COOH@DW) ナノ流体を使用した (\({PEC}_{Nanofluids}/{PEC}_{Basefluid}\)) の値は、0.025 wt.% の場合は 1.02、0.05 wt.% の場合は 1.05、 0.1重量%の場合は1.02。さらに、Re = 11,000 では、0.1 wt.%-GNPs@SDBS はより高い (\({PEC}_{Twisted}/{PEC}_{Plain}\)) 値を示します。たとえば、ねじれ角 45° の場合は 1.25 です。 90°のねじれ角の場合は 1.27。

現在の研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された論文に含まれています。

銀

酸化アルミニウム

チューブの表面積 (m2)

カルボキシメチルセルロース

カルボン酸

比熱容量(J/kg・K)

銅

酸化銅

チューブ水力直径(mm)

ディンプル加工を施したツイストタービュレーターインサート

蒸留水

摩擦係数

鉄

有限体積法

グラフェンナノプレートレット

酸化グラフェン

グラフェン

テープ撚り率

硫酸

硝酸

熱伝達率(W/m2・K)

熱伝導率(W/m・K)

実効熱伝導率 (W/m・K)

チューブ長さ(mm)

質量流量 (kg/s)

酸化マグネシウム

多層カーボンナノチューブ

平均ヌッセルト数

相変化材料

パフォーマンス評価基準

プラントル数

白金

熱利得(W)

レイノルズ数

ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム

スパイキーツイストテープ

バルク温度(K)

三者ハイブリッドナノ流体

入口流体温度(K)

二酸化チタン

出口流体温度(K)

壁面温度(K)

作動流体速度(m/s)

Vカットツイストテープ

ワイヤーコイル

ナノ粒子の重量濃度

圧力損失 (Pa)

エネルギー散逸率(m2/s3)

動粘度(Ns/m2)

密度(kg/m3)

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著者らは、建設的なコメントを寄せてくださった尊敬される査読者および編集者に感謝の意を表したいと思います。さらに、筆頭著者は、モノのインターネット情報視覚化技術の南昌重点研究所から受けた支援に感謝の意を表します (助成金番号 2020-NCZDSY-017)。さらに、著者らは、Al-Mustaqbal University College から受けた支援に感謝します (助成金番号: MUC-E-0122)。最後に、キング・ファハド石油鉱物資源大学の技術的サポートに深い感謝の意を表します。

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ラアド・Z・ホモド

ハートフォードシャー大学物理学、工学およびコンピュータサイエンス学部、ハットフィールド、AL10 9AB、英国

マフムード・エルタウィール

建築および建設技術工学部、AL-Mustaqbal University College、Hillah、51001、イラク

マヤダ・W・ファラ

土木、環境、天然資源工学、ルーレオ工科大学、97187、ルーレオ、スウェーデン

ナディール・アル・アンサリ

土木環境工学部、キング・ファハド石油鉱物資源大学、ダーラン、31261、サウジアラビア

ザヘル・マンダー・ヤシーン

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ザヘル・マンダー・ヤシーンとの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

Re = 7000 で DW、0.1wt.%-GNPs-SDBS@DW および 0.1wt.%-GNPs-COOH@DW を使用した 45° および 90° 熱交換器の速度流線。

Re = 7000 で DW、0.1wt.%-GNPs-SDBS@DW および 0.1wt.%-GNPs-COOH@DW を使用した 45° および 90° 熱交換器の速度等高線。

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Tao, H.、Alawi, OA、Hussein, OA 他。タービュレーターを取り付けた円管内の共有結合および非共有結合で官能化されたグラフェンナノプレートレットの熱水力学的分析。 Sci Rep 12、17710 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-22315-9

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受信日: 2022 年 8 月 26 日

受理日: 2022 年 10 月 12 日

公開日: 2022 年 10 月 21 日

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科学レポート (2023)

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