تولید گرافن آب دوست و بررسی تجربی افزودن آن بر بهبود ضریب انتقال گرما در سامانه آب/اتیلن‌گلایکول

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

دانشکده نفت و مهندسی شیمی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

چکیده

یکی از روش‌های کاهش اندازه تجهیزهای انتقال گرما، افزایش ضریب انتقال گرما جابه جایی سیال پایه است. هدف از این پژوهش تولید گرافن آب‌دوست و بررسی پتانسیل استفاده از آن در بهبود ضریب انتقال گرما در سامانه آب و اتیلن‌گلایکول در چرخه سرمایش است. گرافن با استفاده از روش الکتروشیمیایی تولید و پایداری آن درون آب به وسیله بارگذاری  نانوذره ­های سیلیکا افزایش یافت. گرافن تولید شده با آزمون‌های XRD و FT-IR و تصویرهای SEM و TEM بررسی و تولید موفق آن تأئید شد. درصدهای وزنی گوناگون از گرافن ـ سیلیکا تولید شده شامل 25/0، 5/0، 75/0، 1 و 5/1% به سیال آب/اتیلین گلایکول افزوده شد تا بهبود ضریب انتقال گرمای جابه‌جایی توسط این نانوسیال در دستگاه آزمایشگاهی طراحی شده، مورد بررسی قرار گیرد. داده‌های تجربی به دست آمده برای عدد ناسلت و افت فشار در سیال آب خالص محاسبه و با مدل‌های موجود در این زمینه مقایسه شد و مشخص شد که سامانه به خوبی قادر به پیش بینی نتیجه­ ها است. سامانه با استفاده از نانوسیال دارای درصدهای گوناگون از گرافن ـ سیلیکا مورد آزمایش قرار گرفت و مشخص شد که با افزودن 1% وزنی نانوذره به سیال پایه ضریب انتقال گرمای جابه‌جایی حداقل 40% بهبود یافته است؛ این در حالی است که میزان افت فشار ناشی از حضور نانوذره ­ها نیز حدود 30% افزایش نشان داد. به طور کلی نتیجه­ های این پژوهش پتانسیل استفاده از  نانوسیال آب/اتیلن‌گلایکول/گرافن ـ سیلیکا را برای استفاده در تجهیزهای انتقال گرمای پشتیبانی می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مراجع

[1] Sandhya D., Reddy M.C.S., Rao V.V., Improving the Cooling Performance of Automobile Radiator with Ethylene Glycol Water-Based TiO2 Nanofluids, Int. Commun. Heat Mass Trans., 78: 121-126 (2016).
[2] Subhedar D.G, Ramani B.M, Gupta A., Experimental Investigation of Heat Transfer Potential of Al2O3/Water-Mono Ethylene Glycol Nanofluids as a Car Radiator Coolant, Case Studies Therm. Eng., 11: 26-34 (2018).
[3] Raja M., Vijayan R., Dineshkumar P., Venkatesan M., Review on Nanofluids Characterization, Heat Transfer Characteristics and Applications, Renew. Sust. Energ. Rev., 64: 163-173 (2016).
[4] Ali Akbari O., Karimipour A., Toghraie Semiromi D., Zarringhalam M., Ahmadi Sheikh Shabani G., Experimental Investigation of the Effect of Suspended Nanoparticles into Conventional Fluid on the Heat Transfer Improvement, J. Solid Mechan. Eng. 9(2): 209-220 (2016).
[5] ایزدخواه، میرشهاب‌الدین؛ عرفان نیا، حمید؛ مرادخانی، حامد، بررسی خصوصیات ترموفیزیکی نانوسیالات بر پایه آب ـ اتیلن‌گلایکول با استفاده از روش‌های شبیه‌سازی دینامیک مولکولی غیرتعادلی و دینامیک سیالات محاسباتی، ماهنامه علمی پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس، (7)16: 153 تا 162 (1395).
[6] Wang X.Q., Mujumdar A.S., Heat Transfer Characteristics of Nanofluids: A Review, Int. J. Therm. Sci., 46(6): 1-19 (2007).
[7] Nourafkan E., Karimi G., Moradgholi J, Experimental Study of Laminar Convective Heat Transfer and Pressure Drop of Cuprous Oxide/Water Nanofluid Inside a Circular Tube, Exp. Heat Transfer, 28(1): 58–68 (2015).
[8] کاظمی بیدختی، امین، اهمیت نانوسیال­های دارای نانولوله‌های کربنی اصلاح سطح شده در افزایش توان گرمایی مبدل‌های پوسته لوله و صفحه‌ای، نشریه شیمی و مهندس شیمی ایران، (3)38: 243 تا 252 (1398).
[9] Sadeghinezhad E., Mehrali M., Saidur R., Mehrali M., Tahani Latibari S., Akhiani A.R., Metselaar H.S.C., A Comprehensive Review on Graphene Nanofluids: Recent Research, Development and Applications, Energy Convers. Manag., 111: 466-487 (2016).
[10] Chen L., Xie H, Silicon Oil Based Multi-Walled Carbon Nano Tubes Nano Fluid with Optimized Thermal Conductivity Enhancement, Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Asp., 352(1-3): 136-140 (2009).
[11] Sun B., Zhou G., Zhang H., Synthesis, Functionalization, and Applications of Morphology-Controllable Silica-Based Nanostructures: A Review, Prog. Solid State Chem., 44(1): 1-19 (2016).
[12] Dume B., Carbon Sheets Offer Cool Solution for Computers, Science, 1: 35-42 (2010).
[13] Yang K., Chen B., Zhu L., Graphene-Coated Materials Using Silica Particles as a Framework for Highly Efficient Removal of Aromatic Pollutants in Water, Sci. Rep. 5: 1-13 (11641) (2015).
[14] Zhang W.L., Choi H.J., Silica-Graphene Oxide Hybrid Composite Particles and Their Electroresponsive Characteristics, Langmuir 28: 7055-7062 (2012).
[15] Kole M., Dey T.K., Investigation of Thermal Conductivity, Viscosity, and Electrical Conductivity of Graphene-Based Nanofluids, J. Appl. Phys. 113: (084307) (2013).
[16] Sadri R., Hosseini M., Kazi, S.N., Bagheri S., Zubir N., Ahmadi G., Dahari M., Zaharini T., A Novel, Eco-Friendly Technique for Covalent Functionalization of Graphene Nanoplatelets and the Potential of Their Nanofluids for Heat Transfer Applications, Chem. Phys. Lett. 675: 92–97 (2017).
[17] Zhang H., Wang S., Lin Y., Feng M., Wu Q., Stability, Thermal Conductivity, and Rheological Properties of Controlled Reduced Graphene Oxide Dispersed Nanofluids, Appl. Therm. Eng. 119: 132–139 (2017)
[18] Rabbani Esfahani M., Mohseni Languri E., Exergy Analysis of a Shell-And-Tube Heat Exchanger Using Graphene Oxide Nanofluids, Exp. Therm. Fluid Sci., 83: 100–106 (2017)
[19] Tiwari S.K, Huczko A., Oraon R., De Adhikari A., Nayak G.C., Facile Electrochemical Synthesis of Few Layered Graphene from Discharged Battery Electrode And its Application for Energy Storage, Arab. J. Chem., 10: 556-565 (2017).
[20] Naphon P., Wongwises S., A review of Flow and Heat Transfer Characteristics in Curved Tubes, Renew. Sust. Energ. Rev.  64: 163-173 (2016).
[21] Singh P., Sharma P., Gupta R., Wanchoo R.K., Heat Transfer Characteristics of Propylene Glycol/Water Based Magnesium Oxide Nanofluid Flowing Through Straight Tubes and Helical Coils, J. Therm. Eng. 4(1): 1737-1755 (2018).
[22] Austen D.S., Soliman H.M., Laminar Flow and Heat Transfer in Helically Coiled Tubes with Substantial Pitch, Exp. Therm. Fluid Sci., 1(2): 183–194 (1998).
[23] Kalb C.E., Seader J.D., Fully Developed Viscous Flow Heat Transfer in Curved Circular Tubes with Uniform Wall Temperature, AIChE J., 20: 340-346 (1974).
[24] Xin R.C, Ebadian M.A., The Effects of Prandtl Numbers on Local and Average Convective Heat Transfer Characteristics in Helical Pipes, J. Heat Transf. 119: 467–473 (1997).
[25] Lightfoot E.N., Bird R.B., Stewart W.E., "Transport Phenomena", ‎John Wiley & Sons Inc., New Yorck (2002).
[26] Ali S., Haider Zaidi A., Head Loss and Critical Reynolds Numbers for Flow in Ascending Equiangular Spiral Tube Coils, Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 18(2): 349–353 (1979).
[27] Duangthongsuk W., Wongwises S., An Experimental Investigation on the Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Nanofluid Flowing in Micro-Channel Heat Sink with Multiple Zigzag Flow Channel Structures, Exp. Therm. Fluid Sci., 87: 30-39 (2017).
[28] Bashirnezhad K., Bazri S., Safaei M.R., Goodarzi M., Dahari M., Mahian O., Dalkılıca A.S., Wongwises S., Viscosity of nanofluids: A Review of Recent Experimental Studies, Int. Commun. Heat Mass Trans. 73: 114-123 (2016).
[29] Hentschke R., On the Specific Heat Capacity Enhancement in Nanofluids. Nanoscale Res. Lett. 11(88): 1-11 (2016)
[30] Feng L., Gao G., Huang P., Wang X., Zhang C., Zhang J., Guo S., Cui D., Preparation of Pt Ag Alloy Nanoisland/Graphene Hybrid Composites and Its High Stability and Catalytic Activity in Methanol Electro-Oxidation, Nanoscale Res. Lett., 6(551): 1-10 (2011).
[31] Shearer C.J., Slattery A.D., Stapleton A.J., Shapter J.G., Gibson C.T., Accurate Thickness Measurement of Graphene, Nanotechnology, 27: 1-10 (2016).

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار