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Apr 09, 2023

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Wissenschaftliche Berichte Band 13,

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 407 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Verbesserung der Wärmeübertragungsrate innerhalb der Doppelrohrwärmetauscher ist für industrielle Anwendungen von Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit wird die Nutzung eines ungleichmäßigen Magnetfelds auf die Wärmeübertragungsrate des Nanofluidstroms, der in Doppelrohrwärmetauschern strömt, umfassend untersucht. Die rechnerische Technik der CFD wird zur Visualisierung der Hydrodynamik des Nanofluids in der Existenz der magnetischen Quelle verwendet. Außerdem werden Einflüsse der magnetischen Intensität und der Geschwindigkeit des Nanofluids auf die Wärmeübertragung dargestellt. Für die Modellierung des inkompressiblen Nanofluidflusses unter Hinzufügung einer magnetischen Quelle wird ein einfacher Algorithmus verwendet. Die präsentierten Ergebnisse zeigen, dass die magnetische Quelle die Bildung der Zirkulation im Spalt des Innenrohrs intensiviert und folglich die Wärmeübertragung in unserem Bereich verbessert. Der Vergleich verschiedener Rohrgeometrien zeigt, dass das Dreiecksrohr die Wärmeübertragung des Nanofluidstroms effizienter verbessert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Wärmeübertragung im Rohr mit Dreiecksform höher ist als bei anderen Konfigurationen und die Leistung um 15 % höher ist als bei glatten Rohren.

Das Management des Wärmeübertragungsprozesses ist für die Entwicklung moderner technischer und industrieller Systeme und Geräte von Bedeutung1,2. In den letzten Jahren wurden verschiedene Techniken und Materialien zur Isolierung verwendet und vorgestellt. Obwohl eine Reduzierung der Wärmeübertragung durch den Einsatz von Isolatoren leicht möglich ist, ist eine Verbesserung der Wärmeübertragung aufgrund von Materialbeschränkungen nicht leicht zu erreichen. Mittlerweile ist eine Verbesserung der Wärmeübertragung bei industriellen und technischen Instrumenten und Geräten, z. B. Wärmetauschern und Kondensatoren, stärker erforderlich3,4. Die Bedeutung einer effizienten Wärmeübertragung hat Maschinenbauingenieure und Forscher dazu motiviert, neue Lösungen und Materialien zu finden, die die Wärmeübertragung in industriellen Anwendungen verbessern5.

Der Einsatz von Flossen ist der konventionellste Ansatz, der aufgrund seiner Einfachheit und geringen Kosten weit verbreitet ist. Bei dieser Methode wird die Kontaktfläche der Wärmequelle mit der Außenseite durch das Hinzufügen einer Rippe neben einer Wärmequelle vergrößert6,7. Obwohl diese Technik in mehreren Arbeiten auf die Wärmeübertragungsrate untersucht wurde, ist die Effizienz der Wärmeübertragung über Rippen begrenzt. Die Formeffekte gelten auch als altmodische Methode zur Verbesserung der Wärmeübertragung8,9,10.

Die wichtigste Revolution bei der Wärmeübertragung wird durch die Zugabe von Nanopartikeln zur Grundflüssigkeit erreicht. Tatsächlich nimmt die Existenz von Ferro-Partikeln innerhalb der Hauptflüssigkeit aufgrund der Ferro-Eigenschaften der Flüssigkeitsmischung erheblich zu11. Die Zugabe von Ferro-Nanopartikeln verbessert die Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeitsmischung und erhöht dadurch die Wärmeübertragungseffizienz in Wärmetauschern in realen Anwendungen12,13. Um einen effizienten Zustand zu erreichen, wurden zahlreiche theoretische Untersuchungen zur Nanofluid-Wärmeübertragung durchgeführt. In den letzten Jahrzehnten ermöglichten die Fortschritte in der rechnergestützten Fluiddynamik Wissenschaftlern die Modellierung und Simulation von Nano-Wärmeübertragungsmodellen in komplexen und realen Industriegeräten14,15. Diese Untersuchungen haben bedeutende Ergebnisse über den Mechanismus der Wärmeübertragung von Grundflüssigkeit mit Nano-Ferro-Partikeln in verschiedenen Prozessen bei Schmelz- und Siedephänomenen vorgelegt. Sie untersuchten auch Phasenwechselmaterialien (PCM) mittels CFD-Methoden mit/ohne Nanopartikel16,17. Diese Untersuchungen haben verschiedene Aspekte des Nanofluids im industriellen Einsatz aufgedeckt18.

Die Anwendung des Magnetfelds steigert auch erheblich die Wärmeübertragung des Ferrofluids aufgrund der auf die Ferropartikel des Nanofluidstroms ausgeübten Kraft19,20. Diese Art von Problem lässt sich hauptsächlich in zwei Hauptteile unterteilen: gleichmäßige und ungleichmäßige Magnetfelder. Obwohl die Effizienz des gleichmäßigen Magnetfelds ungleichmäßiger ist, ist die Erzeugung des gleichmäßigen Magnetfelds eine nahezu anspruchsvolle Aufgabe und erfordert ausreichend Platz. Außerdem sind seine Kosten höher als das ungleichmäßige Magnetfeld, das durch das Vorhandensein des Drahtes mit Wechsel-/Gleichstrom entsteht. Aufgrund der Einfachheit und geringeren Kosten ungleichmäßiger Magnetfelder in industriellen Anwendungen ist dieses Thema für die Wärmetechnikwissenschaft attraktiv21,22. Die experimentellen Untersuchungen der ungleichmäßigen Magnetfelder wurden in begrenztem Umfang in der Forschung vorgestellt, da die Messtechnik der Wärmeübertragung in diesem speziellen Zustand eine schwierige Aufgabe ist23,24,25,26. Im Gegensatz zu gleichmäßigen Magnetfeldern erfordert die Simulation der ungleichmäßigen magnetischen Quelle ein hohes Maß an Fachwissen für die Implementierung des Quellterms in die wichtigsten maßgeblichen Gleichungen im Modellierungsprozess27,28,29,30. Es gibt begrenzte Untersuchungen, die den Ferrofluidstrom auf die Existenz eines ungleichmäßigen Magnetfelds hinweisen. In dieser Studie wird die Simulation des Wasserstroms mit Nanopartikeln bei der Existenz des in Abb. 1 dargestellten inhomogenen Magnetfelds untersucht.

Untersuchte Modelle.

Wie in Abb. 1 dargestellt, wird das Ferrofluid als Kühlmittel für die Wärmeübertragung vom heißen Luftstrom verwendet, der sich im Außenrohr bewegt. Im heißen Strom befindet sich ein Draht, der als Quelle des Magnetfelds zur Verbesserung der Wärmeübertragung innerhalb des Ferrofluids dient. In dieser Studie wird versucht, die Auswirkungen der ungleichmäßigen Magnetfeldquelle auf die Wärmeübertragungsleistung von Rohrbündelwärmetauschern zu visualisieren. Obwohl dieser Wärmetauschertyp der praktischste ist und umfassend untersucht wurde31,32,33,34,35, wurde die Leistung dieses Typs unter dem Einfluss des inhomogenen Magnetfelds nicht vollständig diskutiert.

In der vorliegenden Arbeit werden umfassende Untersuchungen durchgeführt, um die Wärmeübertragungseffizienz von Ferrofluid in Gegenwart der Magnetquelle in der Nähe der Rohrbündelwärmetauscher aufzudecken. Der rechnerische Ansatz der CFD wird zur Simulation der hydrodynamischen und thermischen Eigenschaften von Ferrofluid unter verschiedenen Betriebsbedingungen verwendet. Es werden die Einflüsse der magnetischen Quelle und der Geschwindigkeit des Ferrofluids auf die Wärmeübertragungseffizienz dargestellt. Auch die unterschiedlichen Geometrien des Innenrohrs werden in diesem Artikel untersucht. Die Temperaturschwankung des Ferrofluids entlang des Rohrs wird unter verschiedenen Bedingungen demonstriert und verglichen.

Abbildung 1 zeigt die schematische Ansicht des für unsere Untersuchung ausgewählten Modells. Wie in dieser Abbildung dargestellt, wird die heiße Luft von der äußeren Domäne (Hülle) übertragen, während Ferrofluid vom inneren Rohr (d) gegenläufig bewegt wird. Im Inneren der Hülle befindet sich ein Draht, der ein Magnetfeld zur Verbesserung der Wärmeübertragung erzeugt. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Rohrformen untersucht. Um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen, werden 3D-Modelle ausgewählter Geometrien ausgewählt. Das Vorhandensein von Draht erzeugt das in Abb. 2 dargestellte ungleichmäßige Magnetfeld. Im folgenden Abschnitt wird der Einfluss der Magnetfelder auf die Strömungsstruktur ausführlich erläutert.

Verteilung eines ungleichmäßigen Magnetfelds durch Draht.

Abbildung 3 zeigt die angewendeten Gitter für die ausgewählten Modelle. Das strukturierte Gitter wird in den ausgewählten 3D-Modellen erstellt, wie in dieser Abbildung dargestellt22,23,36. Gitterstudien werden auch durchgeführt, indem verschiedene Gittergrößen und Auflösungen untersucht werden, und die Ergebnisse der nichtdimensionalen Temperatur werden in Abb. 4 verglichen. Die präsentierten Ergebnisse zeigen, dass das feine Gitter (54 × 54 × 220) für zukünftige Untersuchungen akzeptabel ist.

Angewandte Gitter (a) 3D-Ansicht, (b) Querschnitt.

Gitterstudie.

Da die Grundflüssigkeit für das Nanofluid Wasser ist, würde die Lösung von RANS-Gleichungen mit Energiegleichungen zu vernünftigen Ergebnissen führen34,35,36,37. Zur Simulation des Magnetfeldes müssen in den Impulsgleichungen die Komponenten des Magnetfeldes im Quellterm addiert werden. Es wird angenommen, dass die Auswirkungen von Magnetfeldern auf die Nanofluideigenschaften gering sind und die Lorentzkraft aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit in den Impulsgleichungen im Vergleich zur Magnetkraft keine wesentliche Rolle spielt. Daher lauten die ultimativen Gleichungen für unsere Modelle wie folgt:

Der Term \({F}_{K}\left(x\right)={\mu }_{0}M\frac{\partial H}{\partial x}\) und \({F}_{ K}\left(y\right)={\mu }_{0}M\frac{\partial H}{\partial y}\) sind Komponenten der Kelvin-Kraft und geben den Einfall des magnetischen Gradienten in der gewählten Domäne an. sind die Komponenten der Kelvin-Körperkraft in x- bzw. y-Richtung. Hx, Hy sind die Komponenten des Magnetfeldes in x- und y-Richtung und werden wie folgt bestimmt:

Gegenwärtig wird der SIMPLEC-Algorithmus mit dem numerischen Upwind-Schema zweiter Ordnung38,39,40 verwendet. Dieser Algorithmus wird normalerweise in der numerischen Strömungsmechanik zur Lösung der Navier-Stokes-Gleichung verwendet. Der Algorithmus folgt den gleichen Schritten wie der SIMPLE-Algorithmus, mit einer kleinen Variation, bei der die Impulsgleichungen manipuliert werden, was es ermöglicht, dass in SIMPLEC-Geschwindigkeitskorrekturgleichungen Terme weggelassen werden, die weniger signifikant sind als die in SIMPLE weggelassenen. Darüber hinaus wird ein Finite-Volumen-Computational-Fluid-Dynamic-Code verwendet, um die maßgeblichen Gleichungen aufzulösen, und die Fakten des Codes werden in den vorherigen Artikeln vollständig erläutert.

Die angewandte Randbedingung für das gewählte Modell ist auch in Abb. 1 dargestellt. Die Einlassgeschwindigkeit des Ferrofluids entspricht der Reynolds-Zahl = 80, 100 und 120. Die Luftstromgeschwindigkeit entspricht Re = 1500. Die Eigenschaften des Ferrofluids , Luft und Gas sind in Tabelle 1 dargestellt. Zur Herstellung des Ferrofluids werden Fe304-Nanopartikel mit einer Konzentration von 4 % mit der Grundflüssigkeit vermischt.

Der Vergleich der erzielten Ergebnisse mit experimentellen Arbeiten wird als Validierung bezeichnet und ist ein wichtiger Schritt bei rechnerischen Studien und Simulationen. Die Wärmeübertragungsanalyse des reinen Wassers (Re = 1620) in einem Einzelrohr mit konstantem Wärmefluss wurde durchgeführt und in Abb. 5a dargestellt. Unser Vergleich zeigt, dass unsere Ergebnisse gut mit denen von Kim et al.41 übereinstimmen. Ein Vergleich des ausgewählten Modells in Gegenwart von TiO2-Nanopartikeln (24 %) erfolgt auch mit experimentellen Daten von He et al.42 (Abb. 5b). Es wurde festgestellt, dass die Abweichung unserer Ergebnisse aus experimentellen Studien weniger als 7 % beträgt, was eine gute Übereinstimmung darstellt.

Validierung1.

Der Vergleich der Nanofluid-Stromlinie ohne Magnetfeld für die ausgewählten Modelle ist in Abb. 6 dargestellt. Die Zirkulationen werden durch den Hohlraum innerhalb der Domäne erzeugt. Die Größe der Zirkulation ist im Modell mit Sinuswand deutlich ausgeprägt. Die Bildung dieser Zirkulationen führt zu Trennungen, die den Wärmeübergang zwischen Wand und Nanofluidstrom erhöhen.

Vergleich von Streamline.

Der Einfluss des ungleichmäßigen Magnetfelds auf die Struktur der Nanofluid-Stromlinie ist in Abb. 7 dargestellt. Wie in der Abbildung zu sehen ist, ist die Zirkulation in zwei Teilzirkulationen aufgeteilt, was die Wärmeübertragung erhöhen würde. Der Einfluss der Magnetfeldintensität auf die Temperaturschwankung im Inneren des glatten Rohrs ist in Abb. 8 dargestellt. In diesem Modell beträgt die Reynolds-Zahl des Nanofluidstroms und der Luft 80 bzw. 1500. Es wurde festgestellt, dass die Erhöhung der magnetischen Intensität die thermische Grenzschicht in die Mitte des Rohrs hinein verstärkt. Außerdem ist der Einfluss der Stromlinie auf die Temperaturschwankung am Rohrquerschnitt stärker ausgeprägt.

Der Strömungsstrom im Mittelteil des Rohrs entsteht bei Vorhandensein des Magnetfelds.

Kontur der dimensionslosen Temperatur im Mittelteil des Rohrs (a) Mn = 0, (b) \(Mn=1,088\times {10}^{6}\), (c) \(Mn=2,22\times {10}^{6}\), (d) \(Mn=3,47\times {10}^{6}\).

Der Vergleich der Nusselt-Zahl entlang der ausgewählten Geometrien unter Einwirkung ungleichmäßiger Magnetkräfte mit unterschiedlichen Intensitäten ist in Abb. 9 dargestellt. Es ist zu beobachten, dass die Variation der Wärmeübertragung direkt proportional zur Form und Größe der Zirkulation in diesen ist Hohlräume. Darüber hinaus verbessert die Intensität des Magnetfelds die Wärmeübertragung im Inneren des Rohrs. Ein Vergleich des Maximal- und Minimalwerts der Nusselt-Zahl zeigt, dass die Sinus- und Quadratformen die größten Schwankungen in der Wärmeübertragung aufweisen. Es wurde auch beobachtet, dass die Anwendung eines Magnetfelds mit Mn = 3,47e6 die maximale lokale Wärmeübertragung um bis zu 30 % erhöht.

Verteilung der Nusselt-Zahl entlang eines (a) einfachen, (b) sinusförmigen, (c) dreieckigen, (d) quadratischen Rohrs bei Vorhandensein unterschiedlicher magnetischer Intensitäten.

Der Einfluss der Einlass-Reynolds-Zahl auf die lokale Nusselt-Zahl ist in Abb. 10 dargestellt. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die Wärmeübertragungsrate mit periodischen Zyklen entlang des Rohrs verringert wird. Der maximale Wärmeübertragungswert liegt im Abschnitt mit der niedrigeren Fläche, während der minimale Wert im oberen Abschnittsbereich festgestellt wird. Tatsächlich ist dies hauptsächlich auf die höhere Geschwindigkeit des Nanofluids im Abschnitt mit geringerer Oberfläche zurückzuführen. Die Auswirkungen der Einlassgeschwindigkeit machen sich in der maximalen Nusselt-Zahl bemerkbar. Währenddessen verschiebt sich bei der hohen Reynolds-Zahl der Ort der anfänglichen Trennung stromaufwärts.

Verteilung der Nusselt-Zahl entlang eines (a) einfachen, (b) sinusförmigen, (c) dreieckigen, (d) quadratischen Rohrs bei unterschiedlichen Einlassgeschwindigkeiten.

Der Einfluss des Magnetfelds auf die Geschwindigkeitsverteilung im Mittelteil des Rohrs ist in Abb. 11 für Ren = 80 und Rei = 1500 dargestellt. Die erreichte Kontur zeigt, dass die Geschwindigkeitsverteilung gleichmäßiger wird und die Geschwindigkeit des Nanofluids in der Nähe der Wand zunimmt, wenn die Intensität des Magneten zunimmt Feld ist hoch. Außerdem verringert sich der maximale Geschwindigkeitswert in der Rohrmitte bei hoher magnetischer Intensität.

Geschwindigkeitskontur im Mittelteil des Rohrs (a) Mn = 0, (b) \(Mn=1,088\times {10}^{6}\), (c) \(Mn=2,22\times {10} ^{6}\), (d) \(Mn=3,47\times {10}^{6}\).

Die Temperaturschwankung des Nanofluidflusses für verschiedene magnetische Intensitäten und Rohrformen ist in Abb. 12 dargestellt. Die Temperaturschwankung zeigt, dass der Haupteinfluss des Magnetfelds auf die Temperatur in der Nähe der Rohrmitte liegt. Darüber hinaus wird der Temperaturwert durch den Austausch glatter Rohre gegen verformte Rohre (quadratische, sinusförmige und dreieckige Rohre) erheblich erhöht. Auch die Variation der Nusselt-Zahl entlang der Röhre für verschiedene Geometrien ohne Magnetfeld (Abb. 13) bestätigt diesen Befund.

Radiale Verteilung der Temperatur (a) einfach, (b) sinusförmig, (c) dreieckig, (d) quadratisches Rohr bei Vorhandensein verschiedener Magnetfelder.

Vergleich der Nusselt-Zahl entlang der Röhre ohne Magnetfeld.

Die Wärmeübertragungsleistung der ausgewählten Geometrien wird in Abb. 14 verglichen. Die Variation der durchschnittlichen Nusselt-Zahl für diese Konfigurationen zeigt, dass das dreieckige Rohr effizienter ist als andere Konfigurationen. Die durchschnittliche Nusselt-Zahl dieses Modells ist 15 % höher als bei Glattrohren.

Auswertung der durchschnittlichen Nusselt-Zahl für verschiedene Arten von Rohrwänden.

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss des Rohrprofils auf die Wärmeübertragungsleistung des Nanofluidstroms im Innenrohr bei Vorhandensein eines ungleichmäßigen Magnetfelds vollständig untersucht. Diese Forschung versuchte, den Hauptmechanismus der Wärmeübertragung durch Analyse der Strömungsstruktur und Grenzschichtverteilung innerhalb des Rohrs darzustellen. Zur Simulation des Nanofluidflusses wird eine rechnerische Technik verwendet, bei der RANS-Gleichungen mit einem zusätzlichen Quellterm gelöst werden, der mit dem Magnetfeld des Drahtes verknüpft ist. Aufgrund der Ungleichmäßigkeit des Magnetfelds erfolgt die Addition des Quellterms sowohl in x- als auch in y-Richtung. Die Auswirkungen der magnetischen Intensität und der Einströmgeschwindigkeit auf die durchschnittliche und lokale Nusselt-Zahl sind vollständig untersucht. In dieser Arbeit werden drei Formen der Rohrwand (sinusförmig, quadratisch und dreieckig) untersucht. Unsere Untersuchung zeigt, dass die Erzeugung der Zirkulation im Rohrhohlraum eine Schlüsselrolle bei der lokalen Wärmeübertragung spielt. Ein Vergleich der Rohrform zeigt, dass der thermische Wirkungsgrad des Rohrs mit dreieckiger Form höher ist als bei anderen Konfigurationen und seine Leistung 15 beträgt % mehr als glattes Rohr.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Fakultät für Maschinenbau, Zweigstelle Bandar Anzali, Islamische Azad-Universität, Bandar Anzali, Iran

Y. Azizi, M. Bahramkhoo und A. Kazemi

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YA und MB haben den Haupttext des Manuskripts geschrieben und AK hat die Abbildungen vorbereitet. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit M. Bahramkhoo.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Azizi, Y., Bahramkhoo, M. & Kazemi, A. Einfluss eines ungleichmäßigen Magnetfelds auf die thermischen und hydrodynamischen Eigenschaften von Nanoflüssigkeiten in Doppelrohrwärmetauschern. Sci Rep 13, 407 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26285-w

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Eingegangen: 16. Oktober 2022

Angenommen: 13. Dezember 2022

Veröffentlicht: 09. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26285-w

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