به کارگیری و مقایسه عملکرد گرمایی و هیدرودینامیکی نانوسیال‌های گرافن اکسید و آلومینا در مبدل گرمایی صفحه‌ای

حسینی, سید محمد صادق

به کارگیری و مقایسه عملکرد گرمایی و هیدرودینامیکی نانوسیال‌های گرافن اکسید و آلومینا در مبدل گرمایی صفحه‌ای

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسنده

سید محمد صادق حسینی

گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ولی عصر رفسنجان، رفسنجان، ایران

چکیده

هدف از این پژوهش‌ ارزیابی و مقایسه تأثیر دو نوع نانوسیال پایه آب با هندسه متفاوت تشکیل شده از نانوصفحه‌های گرافن اکسید و نانوذره‌های آلومینا بر عملکرد یک مبدل گرمایی صفحه‌ای می‌باشد. بدین منظور نخست نانوسیال‌های با غلظت 1/0 درصد وزنی به کمک یک دستگاه فراصوت دارای میله سنجش و یک همزن مکانیکی پر قدرت تهیه شدند و در ادامه ویژگی‌های ترموفیزیکی آن‌ها شامل ضریب هدایت گرمایی، گرانروی و عدد پرانتل مورد تحلیل و مقایسه قرار گرفت. به منظور آزمایش عملکردی، یک سامانه گرمایی شامل یک مبدل صفحه‌ای لحیمی مجهز به دو عدد پمپ، دو عدد جربان سنج ، چهار عدد دماسنج ، دو عدد فشارسنج، دو عدد مخزن و لوله‌های فولادی عایق شده، بر پا شد. شدت جریان سیال گرم (آب خالص) ثابت و از نانوسیال به عنوان سیال سرد برای خنک کردن سیال گرم در شدت جریان‌های 5/1، 2، 5/2، 3 و L/min 5/3 استفاده شد. عملکرد گرمایی و هیدرودینامیکی از روش ارزیابی نرخ انتقال گرما، عدد ناسلت، ضریب اصطکاک، افت فشار، توان پمپاژ و سرانجام معیار ضریب عملکرد (نسبت انتقال گرمای به دست آمده به توان پمپاژ مصرفی) به دست آمد. در مقابسه با آب، گرما در مبدل و با استفاده از دو نمونه نانوسیال با نرخ بیشتری انتقال یافت به طوری که در بیشترین حالت (در کمترین شدت جریان) درصد بهبود انتقال گرما در نانوسیال گرافن اکسید و نانوسیال آلومینا به ترتیب 46 و 18 درصد بود. این مطالعه نشان داد که بیشینه بهبود ضریب عملکرد مبدل نسبت به آب با استفاده از نانوسیال گرافن اکسید و در شدت جریان‌های کمتر از L/min 5/2 به دست آمد (27 درصد)، در حالی که در شدت جریان‌های بالاتر از L/min 5/2 ضریب عملکرد نانوسیال گرافن اکسید افت محسوسی داشته و از نانوسیال آلومینا و حتی از آب خالص هم کمتر شده بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مراجع

[1] Thulukkanam K., "Heat Exchanger Design Handbook", CRC press, (2013).

[2] بزرگان ن.، مبری م.، وحیدی نیا ف.، کاربرد نانوسیال آب-آلومینا گاما در مبدل گرمایی پوسته و لوله در غلظت‌های حجمی گوناگون، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (2)35: 139 تا 149 (1395).

[3] Kumar V., Tiwari AK., Ghosh SK., Application of Nanofluids in Plate Heat Exchanger: A Review, Energy Conversion and Management, 105: 1017-1036 (2015).

[4] Yu W., Xie H., A Review on Nanofluids: Preparation, Stability Mechanisms, and Applications, Journal of Nanomaterials, 2012: 1-17 (2012).

[5] Jang S.P., Choi S.U., Role of Brownian Motion in the Enhanced Thermal Conductivity of Nanofluids, Applied Physics Letters, 84(21): 4316-4318 (2004).

[6] Pantzali M.N., Mouza A.A., Paras S.V., Investigating the Efficacy of Nanofluids as Coolants in Plate Heat Exchangers (PHE), Chemical Engineering Science, 64(14): 3290-3300 (2009).

[7] Tiwari A.K., Ghosh P., Sarkar J., Performance Comparison of the Plate Heat Exchanger using Different Nanofluids, Experimental Thermal and Fluid Science, 49: 141-151 (2013).

[8] Tiwari A.K., Ghosh P., Sarkar J., Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of CeO₂/Water Nanofluid in Plate Heat Exchanger, Applied Thermal Engineering, 57(1-2): 24-32 (2013).

[9] Javadi F.S., Sadeghipour S., Saidur R., BoroumandJazi G., Rahmati B., Elias M.M., Sohel M.R., The Effects of Nanofluid on Thermo Physical Properties and Heat Transfer Characteristics of a Plate Heat Exchanger, International Communications in Heat and Mass Transfer, 44: 58-63 (2013).

[10] Kwon Y.H., Kim D., Li C.G., Lee J.K., Hong D.S., Lee J.G., Lee S.H., Cho Y.H., Kim S.H., Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Nanofluids in a Plate Heat Exchanger, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 11(7): 5769-5774 (2011).

[11] Pandey S.D., Nema V.K., Experimental Analysis of Heat Transfer and Friction Factor of Nanofluid as a Coolant in a Corrugated Plate Heat Exchanger, Experimental Thermal and Fluid Science, 38: 248-256 (2012).

[12] Balandin A.A., Thermal Properties of Graphene and Nanostructured Carbon Materials, Nature Materials, 10(8): 569-581 (2011).

[13] Goodarzi M., Amiri A., Goodarzi M.S., Safaei M.R., Karimipour A., Languri E.M., Dahari M., Investigation of Heat Transfer and Pressure Drop of a Counter Flow Corrugated Plate Heat Exchanger using MWCNT based Nanofluids, International Communications in Heat and Mass Transfer, 66: 172-179 (2015).

[14] کاظمی بیدختی ا.، اهمیت نانوسیال‌های دارای نانولوله‌های کربنی اصلاح شده در افزایش توان گرمایی مبدل‌های پوسته لوله و صفحه‌ای ، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (3)38: 243 تا 252 (1398).

[15] Sarafraz M.M., Hormozi F., Heat Transfer, Pressure Drop and Fouling Studies of Multi-Walled Carbon Nanotube Nano-Fluids Inside a Plate Heat Exchanger, Experimental Thermal and Fluid Science, 72: 1-11 (2016).

[16] Sarafraz M.M, Hormozi F., Nikkhah V., Thermal Performance of a Counter-Current Double Pipe Heat Exchanger Working with COOH-CNT/Water Nanofluids, Experimental Thermal and Fluid Science, 78: 41-49 (2016).

[17] Esfahani M.R, Languri E.M., Exergy Analysis of a Shell-And-Tube Heat Exchanger using Graphene Oxide Nanofluids, Experimental Thermal and Fluid Science, 83: 100-106 (2017).

[18] Wang Z., Wu Z., Han F., Wadsö L., Sundén B., Experimental Comparative Evaluation of a Graphene Nanofluid Coolant in Miniature Plate Heat Exchanger, International Journal of Thermal Sciences, 130: 148-156 (2018).

[19] Vivekchand S.R, Rout C.S., Subrahmanyam K.S., Govindaraj A., Rao C.N., Graphene-based Electrochemical Supercapacitors, Journal of Chemical Sciences, 120(1): 9-13 (2008).

[20] Park S.D., Won Lee S., Kang S., Bang I.C., Kim J.H., Shin H.S., Lee D.W., Won Lee D., Effects of Nanofluids Containing Graphene/Graphene-Oxide Nanosheets on Critical Heat Flux, Applied Physics Letters, 97(2): 023103 (2010).

[21] Hajjar Z., Rashidi A.M., Ghozatloo A., Enhanced Thermal Conductivities of Graphene Oxide Nanofluids, International Communications in Heat and Mass Transfer, 57: 128-131 (2014).

[22] Vajjha R.S., Das D.K., A Review and Analysis on Influence of Temperature and Concentration of Nanofluids on Thermo Physical Properties, Heat Transfer and Pumping Power, International Journal of Heat and Mass Transfer. 55(15-16): 4063-4078 (2012).

[23] Ganvir R.B., Walke P.V., Kriplani V.M., Heat Transfer Characteristics in Nanofluid a Review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 75: 451-460 (2017).

[24] Esfahani M.R., Languri E.M., Nunna M.R., Effect of Particle Size and Viscosity on Thermal Conductivity Enhancement of Graphene Oxide Nanofluid, International Communications in Heat and Mass Transfer, 76: 308-315 (2016).

[25] Mehrali M., Sadeghinezhad E., Akhiani A.R., Latibari S.T., Talebian S., Dolatshahi-Pirouz A., Metselaar H.S., Mehrali M., An Eco-Friendly Graphene-based Nanofluid for Heat Transfer Applications, Journal of Cleaner Production, 137: 555-566 (2016).

[26] Suganthi K.S., Rajan K.S., Metal oxide nanofluids: Review of Formulation, Thermo-Physical Properties, Mechanisms, and Heat Transfer Performance, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 76: 226-255 (2017).

[27] Choudhary R., Khurana D., Kumar A., Subudhi S., Stability Analysis of Al₂O₃/Water Nanofluids, Journal of Experimental Nanoscience, 12(1): 140-151 (2017).

[28] Chen L., Xu C., Liu J., Fang X., Zhang Z., Optical Absorption Property and Photo-Thermal Conversion Performance of Graphene Oxide/Water Nanofluids with Excellent Dispersion Stability, Solar Energy, 148: 17-24 (2017).

[29] Li C.H., Peterson G.P., Experimental Investigation of Temperature and Volume Fraction Variations on the Effective Thermal Conductivity of Nanoparticle Suspensions (Nanofluids), Journal of Applied Physics, 99(8): 084314 (2006).

[30] Ranjbarzadeh R., Karimipour A., Afrand M., Isfahani A.H., Shirneshan A., Empirical Analysis of Heat Transfer and Friction Factor of Water/Graphene Oxide Nanofluid Flow in Turbulent Regime through an Isothermal Pipe, Applied Thermal Engineering, 126: 538-547 (2017).

[31] غیاثی ا.، بنی اسدی ح.، اکبری ا.، تولید گرافن آب دوست و بررسی تجربی افزودن آن بر بهبود ضریب انتقال گرما در سامانه آب/اتیلن‌گلیکول، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (1)39: 39 تا 52 (1398).

[32] Selvakumar R.D., Dhinakaran S., A Multi-Level Homogenization Model for Thermal Conductivity of Nanofluids based on Particle Size Distribution (PSD) Analysis, Powder Technology, 301: 310-317 (2016).

[33] Shima P.D., Philip J., Raj B., Influence of Aggregation on Thermal Conductivity in Stable and Unstable Nanofluids, Applied Physics Letters, 97(15): 153113 (2010).

[34] Ijam A., Saidur R., Ganesan P., Golsheikh A.M., Stability, Thermo-Physical Properties, and Electrical Conductivity of Graphene Oxide-Deionized Water/Ethylene Glycol Based Nanofluid, International Journal of Heat and Mass Transfer, 87: 92-103 (2015).

[35] Kakaç S., Pramuanjaroenkij A., Review of Convective Heat Transfer Enhancement with Nanofluids, International Journal of Heat and Mass Transfer, 52(13-14): 3187-3196 (2009).

[36] Bergman T.L., Incropera F.P., Lavine A.S., DeWitt D.P., “Introduction to Heat Transfer”, John Wiley & Sons Inc, (2011).