Die Anwendung von nicht

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 8471 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Verbesserung der Wärmeübertragung innerhalb der Solarwärmetauscher ist wichtig für die Entwicklung der Solarenergie in einem städtischen Gebiet. In dieser Studie wird die Nutzung eines ungleichmäßigen Magnetfelds auf die thermische Effizienz des Nanofluids (Fe3O4) untersucht, das im Wenderohr von Solarwärmetauschern strömt. Um den Nanofluidfluss im Solarwärmetauscher zu visualisieren, wird rechnergestützte Fluiddynamik angewendet. Die Rolle der magnetischen Intensität und der Reynolds-Zahl auf den thermischen Wirkungsgrad wurde vollständig untersucht. Die Wirkung einzelner und dreifacher Magnetfeldquellen wird in unserer Forschung ebenfalls untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Nutzung des Magnetfelds zur Erzeugung von Wirbeln in der Grundflüssigkeit führt und die Wärmeübertragung innerhalb der Domäne verbessert. Unsere Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die Verwendung des Magnetfelds mit Mn = 25 K die durchschnittliche Wärmeübertragung entlang des Kehrtwenderohrs von Solarwärmetauschern um etwa 21 % verbessern würde.

Die thermische Weiterentwicklung von Wärmetauschern ist entscheidend für die Schonung von Umwelt und Kosten. Die Leistung von Wärmetauschern ist in verschiedenen Branchen von entscheidender Bedeutung, da sie häufig in Industriezweigen eingesetzt werden, z. B. in Kraftwerken, petrochemischen Anlagen und Ölraffinerien sowie bei Privatanwendern1,2,3. Die Bedeutung dieses Geräts für den Umweltschutz wurde in früheren Arbeiten erwähnt, da es die CO2-Emissionen durch die Verbrennung von Öl zur Energieerzeugung reduzieren wird. Andererseits wird eine neue Art von Energiequelle wie Solarenergie dann wirtschaftlich, wenn die Leistung der Wärmetauscher hoch genug ist4,5.

Die Entwicklung neuer Energiequellen ist sehr wichtig, da die derzeitige Energiequelle nicht länger als zwei Jahrhunderte haltbar ist6,7. Daher sind erneuerbare Energien als bester Ersatz für Rohöl zum Hauptthema für Forscher geworden8,9. Darüber hinaus wird mit der klassischen Energiequelle keine Reduzierung der Umweltverschmutzung erreicht, da bei der Verbrennung von Rohöl unvermeidlich CO2 entsteht10,11. Unter den verfügbaren erneuerbaren Energien gilt Solarenergie aufgrund ihrer Zugänglichkeit und geringen Kosten als zuverlässige Energiequelle, insbesondere für Privatanwender12,13. Obwohl Solarkraftwerke für die Energieerzeugung im großen Maßstab nicht mit anderen Kraftwerken (z. B. Kernkraftwerken) vergleichbar sind, könnte diese Energiequelle effizient für kleine Nutzer genutzt werden, die weit entfernt von städtischen Gebieten leben14,15,16,17. Daher hat die Nutzung von Solaranlagen zur Erzeugung von Energiequellen für Privatanwender in den letzten drei Jahren durch den Anstieg des Ölpreises zugenommen18,19,20.

Der Einsatz von Nanopartikeln hat die Effizienz aktueller Wärmetauscher deutlich gesteigert21,22. Tatsächlich verbessern Ferropartikel die Wärmekapazität der Grundflüssigkeit in den Wärmetauschern erheblich und dies spart die Leistung von Solarmodulen zur Bereitstellung des erforderlichen Warmwassers für Privatanwender23,24,25. Die Wärmekapazität des Nanofluids nimmt mit der Nutzung des Magnetfelds erheblich zu. Tatsächlich führt die Anwendung der Magnetquelle in der Nähe des Rohrs mit dem Nanofluidstrom zu Störungen in der Flüssigkeit und es entsteht eine Wirbelstruktur im Nanofluidstrom26,27. Daher intensiviert sich die Wärmeübertragung innerhalb der Wärmetauscher. Diese Eigenschaft der Nanofluidströmung wurde in einem anderen Prozess, nämlich dem Sieden und Schmelzen, umfassend untersucht, da dies die thermischen Eigenschaften des Prozesses verändern würde28,29,30. Obwohl in der aktuellen Forschung die Verwendung einer magnetischen Quelle entweder gleichmäßig oder ungleichmäßig in der Nähe des Nanofluids mit Ferropartikeln untersucht wurde, wurde dieser Aspekt des Nanofluidflusses in verschiedenen Abschnitten der Wärmetauscher nicht umfassend untersucht31,32,33. In den meisten dieser Studien wird ein theoretischer Ansatz für die thermische Analyse der Nanofluidströmung verwendet34,35,36. Die numerische Technik der Computational Fluid Dynamics wird auch zur Untersuchung der Wärmeübertragung von Wärmetauschern eingesetzt37,38. Aufgrund der geringen Kosten rechnerischer Untersuchungen gilt diese Technik als erste Methode zur Vorabbewertung neuer innovativer Ansätze für die Entwicklung aktueller Forschung39,40. Obwohl sich mehrere Untersuchungen auf das gleichmäßige Magnetfeld zur Verbesserung von Wärmetauschern konzentrierten, wurde das ungleichmäßige Magnetfeld in begrenzten Artikeln mithilfe der numerischen Strömungsmechanik untersucht41,42,43.

In diesem Artikel wird die Rolle eines ungleichmäßigen Magnetfelds bei der thermischen Verbesserung der Nanofluidströmung entlang eines U-Turn-Doppelrohrwärmetauschers untersucht (Abb. 1). Die Strömungseigenschaften und Wärmeeigenschaften der Nanofluidströmung werden durch rechnergestützte Fluiddynamik untersucht und analysiert. Die Stromlinie der Basisströmung mit Ferropartikeln in einem zweidimensionalen Modell wird vollständig untersucht, um die Hauptströmungsfaktoren aufzudecken, die die thermischen Aspekte des Nanofluids verbessern. Die Auswirkungen der Reynolds-Zahl und der magnetischen Intensität des Nanofluids auf die Hydrodynamik des Nanofluidstroms werden ebenfalls simuliert. Darüber hinaus wird die Variation des Wärmeübergangs entlang des U-Turn-Rohrs unter verschiedenen Bedingungen aufgezeichnet.

Das Schema eines U-Turn-Rohrs in Gegenwart einer (a) einzelnen (b) dreifachen ungleichmäßigen Magnetquelle.

Nanofluid ist die Mischung aus Ferropartikeln (3–15 nm) in der Basisflüssigkeit, in dieser Studie Wasser. Die Simulation des Nanofluids erfolgt, während die Basisflüssigkeit inkompressibles Wasser mit den thermischen Eigenschaften von Ferrofluid ist. Es wird angenommen, dass der Nanofluidstrom stetig, inkompressibel und laminar ist44,45,46. Die wichtigsten maßgeblichen Gleichungen des 2D-Nanofluidstroms mit der genannten Annahme lauten wie folgt:

In den Impulsgleichungen gibt es zwei Quellterme, die mit dem Magnetfeld in Zusammenhang stehen und als Kelvinkraft bekannt sind. Diese Quellterme werden über diese Formeln berechnet:

wobei der Wert von M über diese Gleichungen berechnet wird:

Der dimensionslose Wert zur Auswertung der magnetischen Intensität wird über berechnet

In weiteren veröffentlichten Artikeln werden alle Details des angelegten ungleichmäßigen Magnetfelds auf die wichtigsten maßgeblichen Gleichungen des Ferrofluids vorgestellt und erklärt. Die Thermoeigenschaften der Grundflüssigkeit, Luft und Wasser sind in Tabelle 1 dargestellt.

Die Dichte, Viskosität und Wärmekapazität der Mischung (Wasser mit Ferropartikeln) werden über berechnet

Um die hydro- und thermischen Eigenschaften des Nanofluidstroms zu vergleichen, sollten die Reynolds- und Nusselt-Zahlen wie folgt berechnet werden:

Das ausgewählte Modell eines U-Turn-Doppelrohrs mit Nanofluidströmung ist in Abb. 1 dargestellt. Die Quellen des Magnetfelds werden anhand der ungleichmäßigen Verteilung dargestellt. Wie in der Abbildung dargestellt, wird ein gleichmäßiger Wärmestrom (1000 W/m2K) auf die Wand ausgeübt. Es wird angenommen, dass das Ferrofluid mit konstanter Temperatur (300 K) und Geschwindigkeit in das Rohr eintritt. Die Größe des Rohres beträgt d/D = 0,8.

Außerdem wird eine Gitterstudie zur numerischen Simulation des Ferrofluids im Rohr durchgeführt. Abbildung 2 zeigt das erzeugte Raster für das ausgewählte U-Turn-Modell. Das erzeugte Gitter ist vollständig strukturiert und die Größe des Gitters in der Nähe der Wand ist aufgrund der Wechselwirkung des Magnetfelds mit dem Nanofluidstrom geringer als in anderen Regionen. Es wird eine Gitterunabhängigkeitsanalyse durchgeführt (Tabelle 2), um die optimalen Gitterzellen für die eingeführte Geometrie zu erhalten. Die Ergebnisse der Gitterunabhängigkeit sind in Abb. 3 dargestellt. Wie in der Tabelle zu sehen ist, wird die Größe der Gitter geändert und ihre Auswirkungen auf die thermischen Eigenschaften des einzelnen Rohrs verglichen. Für diese Studie wurde das Modell mit einer Gitterzahl von 9000 Zellen (30 × 300) gewählt.

Netz.

Validierung (a) φ = 0,24 (b) φ = 1,18.

Die Validierung unserer Methode erfolgt für einen Nanofluidstrom entlang eines einzelnen Rohrs und unsere Daten werden sowohl mit experimentellen als auch mit rechnerischen Daten verglichen46,47,48,49. Wie in Abb. 3 gezeigt, wird der Wärmeübertragungskoeffizient von Nanoflüssigkeit mit zwei Nanopartikel-Volumenanteilen bei Re = 1500 simuliert und verglichene Ergebnisse bestätigten, dass die Abweichung unseres Ergebnisses weniger als 8 % beträgt, was für unsere zukünftigen Studien akzeptabel ist50,51,52 . Dieser Ansatz wird bei verschiedenen wissenschaftlichen Problemen verwendet53,54,55,56,57,58.

Abbildung 4 veranschaulicht die Auswirkungen der Magnetquelle auf die Straffung des Nanofluidflusses im Inneren des U-Turn-Rohrs. Wenn die einzelne Magnetquelle in der Nähe des Mittelabschnitts der Kehrtwende angelegt wird, wird ein einzelner Wirbel erzeugt. Die Bildung dieses Wirbels ist das Hauptergebnis der Kelvinkraft. Bei drei magnetischen Quellen gibt es drei Wirbel innerhalb der Domäne. Es zeigt sich, dass die ersten Wirbel (Draht 3) größer sind als die anderen. Der Hauptgrund für die Entstehung von Wirbeln ist die Ungleichmäßigkeit des Magnetfeldes. Wie die Bildung der Wirbel den Wärmeübergang verbessert, wird in den nächsten Abschnitten erläutert.

Stromlinie eines Nanofluids bei Vorhandensein eines (a) einzelnen (b) dreifachen ungleichmäßigen Magnetfelds mit Mn = 165.000.

Der Einfluss dieser Wirbel auf die Wärmeübertragung entlang des Kehrtwenderohrs ist in Abb. 5 dargestellt. In dieser Abbildung zeigt die Schwankung der Nusselt-Zahl den Einfluss der Magnetquelle auf die Wärmeübertragung des Kehrtwenderohrs verschiedene Reynolds-Zahlen. Wenn die Geschwindigkeit des Nanofluid-Einlassstroms zunimmt, sind die Auswirkungen der magnetischen Quelle auf die Hydrodynamik des Nanofluid-Stroms aufgrund des hohen Impulses des Fluids begrenzt. Dadurch wird die Größe des Wirbels eingeschränkt und folglich nimmt die Wärmeübertragungsrate ab, wie in Abb. 5 dargestellt. Einer der Hauptaspekte dieser Wirbel ist der Hochgeschwindigkeitsgradient innerhalb der Domäne, der dafür sorgt, dass das Nanofluid länger bleibt. Abbildung 6 zeigt die Wärmeübertragung entlang des U-Turn-Rohrs bei verschiedenen Reynolds-Zahlen ohne Magnetfeld.

Variation der Wärmeübertragung entlang der Kehrtwende bei Vorhandensein einer einzelnen Magnetquelle bei (a) Re = 50 (b) Re = 150.

Variation der Wärmeübertragung entlang der Kehrtwende ohne magnetische Quelle.

Die Auswirkungen des Magnetfelds auf die Temperaturschwankung des Nanofluidflusses sind in Abb. 7 dargestellt. Es ist zu beobachten, dass die Temperaturänderung in dem Bereich auftritt, in dem der Wirbel erzeugt wird. Die Temperaturschwankung hängt nicht nur mit den Wirbeln zusammen, sondern ist auch mit den Änderungen der Wärmekapazität von Nanoflüssigkeiten unter Einwirkung inhomogener magnetischer Kräfte verbunden. Die dimensionslose Temperaturkontur verdeutlicht diese Effekte in unserem Modell. Durch die Intensität des Magnetfeldes wird zudem die Bildung starker Wirbel verstärkt und somit die Wärmeübertragung verbessert.

Kontur der nichtdimensionalen Temperatur unter Einwirkung einer ungleichmäßigen Magnetquelle (a) Mn = 0, (b) Mn = 92.000 und (c) Mn = 258.000.

Ein Vergleich der Wärmeübertragung für die einzelne und dreifache ungleichmäßige Magnetquelle ist in Abb. 8 dargestellt. Die Bildung des Peaks im Diagramm stellt die Bildung der Wirbel unter dem Einfluss des ungleichmäßigen Magnetfelds dar. Die maximale Nusselt-Zahl tritt in der Nähe von Draht 3 des dreifachen Magnetquellengehäuses auf. Die stromlinienförmige Abbildung bestätigt auch, dass in diesem Bereich ein großer Wirbel entsteht. Tatsächlich ist dies auf die Form des U-Turn-Rohrs zurückzuführen, die dazu führt, dass sich die Strömung eher in der gegenüberliegenden Wand als in der Innenwand bewegt. Somit gibt es weniger Widerstand gegen die Störung des Wirbels.

Variation der Nusselt-Zahl entlang des Rohrs für einfaches und dreifaches Magnetfeld.

Abbildung 9 zeigt den Temperaturverlauf einer Einzel- und Dreifachmagnetquelle sowie eines Modells ohne Magnetfeld. Die Temperaturschwankung in der Nähe der Quelle des Magnetfelds bestätigt, dass das Vorhandensein des ungleichmäßigen Magnetfelds die Wärmeübertragung auf dem Kehrtwenderrohr verbessert. Wenn die Anzahl der Magnetfeldquellen zunimmt, steht ein größerer Bereich innerhalb der Domäne unter dem Einfluss der Magnetquelle.

Vergleich der dimensionslosen Temperatur unter Einwirkung einer (a) Einzel- und (b) Dreifachquelle eines ungleichmäßigen Magnetfelds.

Der Einfluss der magnetischen Intensität auf die durchschnittliche Nusselt-Zahl entlang des U-Turn-Rohrs ist in Abb. 10 dargestellt. Die Einlassgeschwindigkeit ist konstant (Re = 50) und die Quelle ungleichmäßiger Magnetfelder ist gleichmäßig. Die Variation der durchschnittlichen Nusselt-Zahl mit Änderungen in der magnetischen Quelle ist nahezu linear. Die durchschnittliche Nusselt-Zahl steigt um etwa 21 %, wenn die Magnetquelle mit einer magnetischen Intensität von Mn = 258.000 von einer einzigen Quelle angewendet wird. Zur Abschätzung der durchschnittlichen Wärmeübertragung entlang eines U-förmigen Rohrs wird die folgende Gleichung erhalten.

Auswirkungen der magnetischen Intensität eines einzelnen ungleichmäßigen Magnetfelds auf die durchschnittliche Nusselt-Zahl entlang des Kehrtwenderohrs.

In der vorliegenden Studie wird der Einfluss eines ungleichmäßigen Magnetfelds auf die Wärmeübertragung von Nanoflüssigkeit durch ein U-Turn-Rohr untersucht. Mithilfe der CFD-Technik werden die hydrodynamischen und thermischen Eigenschaften des Nanofluids mit Fe203-Ferropartikeln unter Einwirkung des einfachen und dreifachen Magnetfelds in einem U-Turn-Rohr modelliert. Die Rolle der magnetischen Intensität und der Einlassgeschwindigkeit des Nanofluids auf die Hydrodynamik des Nanofluidflusses. Die Entstehung der Wirbel und ihre Auswirkung auf die Wärmeübertragung der Basisflüssigkeit werden ausführlich erläutert. In der aktuellen Studie sind auch Temperaturkonturen verschiedener Flüssigkeitsbedingungen vorhanden. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die Anwendung eines ungleichmäßigen einzelnen Magnetfelds (Mn = 25,8 K) in der Nähe des Mittelabschnitts des U-Turn-Rohrs die Wärmeübertragung um bis zu 21 % erhöhen würde.

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

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Schlüssellabor für Erntemaschinentechnologie der Provinz Zhejiang, Jinhua Polytechnic, Jinhua, China

Sida Li

Chongqing Water Conservancy & Electric Power Construction Survey & Design Research Institute Hangzhou Branch, Hangzhou, China

Liudan Mao

Fakultät für Bauingenieurwesen, College of Engineering, Cihan-Universität-Erbil, Erbil, Irak

As'ad Alizadeh

Zhejiang Tongjing Technology Co. Ltd., Quzhou, China

Xin Zhang

Fakultät für Maschinenbau, Technische und Berufsuniversität (TVU), Teheran, Iran

S. Valiallah Mussawi

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SVM und AA haben den Haupttext des Manuskripts geschrieben und SL und LM haben Abbildungen vorbereitet und SL und LM und XZ haben die englische Schreibweise und den Abschluss verbessert. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Führer Mao oder S. Valiallah Mousavi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Li, S., Mao, L., Alizadeh, A. et al. Die Anwendung eines ungleichmäßigen Magnetfelds zur thermischen Verbesserung des Nanofluidstroms im Inneren des U-Turn-Rohrs bei Solarkollektoren. Sci Rep 13, 8471 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35659-7

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Eingegangen: 22. März 2023

Angenommen: 22. Mai 2023

Veröffentlicht: 25. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35659-7

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