نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

مطالعه آزمایشگاهی انتقال حرارت و کاهش درگ درلوله افقی توسط پلی نانوسیال آب/پلی اکریل آمید/مس

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی شیمی، واحد یاسوج، دانشگاه آزاد اسلامی، یاسوج، ایران
2 گروه علوم پایه، واحد یاسوج، دانشگاه آزاد اسلامی، یاسوج، ایران
3 گروه مهندسی شیمی، واحد گچساران، دانشگاه آزاد اسلامی، گچساران، ایران
چکیده
افزودن نانوذرات به سیالات پایه موجب بهبود عملکرد حرارتی سیال پایه خواهد شد. از طرفی، افزودن مقادیر اندک پلیمر با وزن مولکولی بالا به جریان توربولنت سیال در خطوط لوله می­ تواند موجب کاهش افت فشار اصطکاکی و نیروی درگ گردد. در این پژوهش مطالعه آزمایشگاهی انتقال حرارت وکاهش درگ در یک لوله افقی گالوانیزه حاوی پلی نانوسیال آب/نانومس و پلی اکریل آمید انجام شده است. از نانوذرات مس با قطر تقریبی 40 نانومتر به عنوان عامل افزاینده انتقال حرارت و پلی اکریل آمید به عنوان عامل کاهنده درگ استفاده شده است. غلظت­ های مورد مطالعه در این پژوهش ppm50-10 پلیمر PAM و 1-1/0 درصد وزنی نانومس می ­باشد. از آنالیز FTIR جهت بررسی احتمالی تشکیل پیوندهای شیمیایی جدید بین مولکول­ های پلیمر و نانوذرات استفاده شده است. ابتدا خواص ترموفیزیکی و رئولوژیکی پلی نانوسیالات مورد نظر اندازه ­گیری شده، سپس پدیده کاهش درگ و انتقال حرارت برای آب، محلول پلیمری پلی ­اکریل آمید/آب، نانوسیال آب/نانومس و پلی ­نانوسیال آب/پلی ­اکریل آمید/نانومس بررسی شده است. دمای میانگین توده سیال ورودی در تمام آزمایش ­ها حدود 30 درجه سلسیوس بوده و شار حرارتی ثابت به میزان 900 وات به دیواره خارجی لوله اعمال شده است. نتایج بدست آمده نشان داد پلی نانوسیالات مورد بررسی در تمامی غلظت ­های مورد مطالعه از پلیمر و نانوسیالات دارای رفتار نیوتنی بوده ­اند. ویسکوزیته، چگالی و هدایت گرمایی با افزایش غلظت نانوذرات مس افزایش یافت  افزایش عدد رینولدز موجب افزایش درصد بهبود سرعت  انتقال حرارت و کاهش درصد درگ شد. بیشترین درصد کاهش درگ در پلی ­نانوسیالات حاوی ppm50 پلی اکریل آمید و 1 درصد وزنی نانومس در عدد رینولدز 29064 با %5/59 کاهش درگ و %2/27 بهبود انتقال حرارت مشاهده گردید. حداکثر بهبود سرعت انتقال حرارت در پلی­ نانوسیال حاوی ppm10 پلیمر و 1 درصد وزنی نانومس با 7/27 بهبود انتقال حرارت و %2/38 کاهش درگ اتفاق افتاد.
کلیدواژه‌ها

[1] Hoyt J., Drag Reduction by Polymers and Surfactants. Viscous Drag Reduction in Boundary Layers, 123: 413-432 (1990).
[3] Lin B.,  Hu H.B., Jiang L., Li Z., Xie L., Development and Drag-Reducing Performance of a Water-Soluble Polymer Coating. Physics of Fluids, 35(6) (2023).
[4] Abdulrahman A.A.,  Kadhim B.J., Shnain Z.Y., Majidi H.S., Alwaiti A.A., Al-Sheikh F., Experimental and Numerical Analysis of Oil-Water Flow with Drag Reducing Polymers in Horizontal Pipes. Fluid Dynamics & Materials Processing, 19(10) (2023).
[5] Zhao M., Liu S., Dai C., Yan R., Li Y., Liu P., Development and Drag Reduction Behaviors of a Water-in-Water Emulsion Polymer Drag Reducer. ACS Applied Polymer Materials, 5(5): 3707-3716 (2023).
[6] Alsarkh, A. Salah M., Multiphase Flow Production Enhancement Using Drag Reducing Polymers. Polymers, 15(5): 1108 (2023).
[7] Savins J., Drag Reduction Characteristics of Solutions of Macromolecules in Turbulent Pipe Flow. Society of Petroleum Engineers Journal, 4(03): 203-214 (1964).
[8] Seyer F.A. Metzner A., Turbulence Phenomena in Drag Reducing Systems. AIChE Journal, 15(3): 426-434 (1969).
[9] Paterson R.W. Abernathy F., Turbulent Flow Drag Reduction and Degradation with Dilute Polymer Solutions. Journal of Fluid Mechanics, 43(4): 689-710 (1970).
[10] Zhang Y., Zhou F., Kang J., Flow and Heat Transfer in Drag-Reducing Polymer Solution Flow Through the Corrugated Tube and Circular Tube. Applied Thermal Engineering, 174: 115185 (2020).
[12] Escudier M., Presti F., Smith S., Drag Reduction in the Turbulent Pipe Flow of Polymers. Journal of non-newtonian fluid mechanics, 81(3): 197-213 (1999).
[13] Fossa M. Tagliafico L., Experimental Heat Transfer of Drag-Reducing Polymer Solutions in Enhanced Surface Heat Exchangers. Experimental thermal and fluid science, 10(2): 221-228 (1995).
[14] Virk P., Drag Reduction in Rough Pipes. Journal of fluid mechanics, 45(2): 225-246 (1971).
[15] Quan Q., Wang S., Wang L., Shi Y., Xie J., Wang X., Wang S., Experimental Study on the Effect of High-Molecular Polymer as Drag Reducer on Drag Reduction Rate of Pipe Flow. Journal of Petroleum Science and Engineering, 178: 852-856 (2019).
[16] Yang S.-Q., Ding D., Drag Reduction Induced by Polymer in Turbulent Pipe Flows. Chemical Engineering Science, 102: 200-208 (2013).
[17] Ma G., Li X., Wang X., Liu G., Jiang L., Yang K, Preparation, Rheological and Drag Reduction Properties of Hydrophobically Associating Polyacrylamide Polymer. Journal of dispersion science and technology, 40(2): 171-178 (2019).
[18] Pouranfard A., Mowla D., Esmaeilzadeh F., An Experimental Study of Drag Reduction by Nanofluids Through Horizontal Pipe Turbulent Flow of a Newtonian Liquid. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 20(2): 633-637 (2014).
[19] Abdulbari H.A. Ming F., Drag Reduction Properties of Nanofluids in Microchannels. The Journal of Engineering Research [TJER], 12(2): 60-67 (2015).
[20] Pouranfard A., Mowla D., Esmaeilzadeh F., An Experimental Study of Drag Reduction by Nanofluids in Slug Two-Phase Flow of Air and Water Through Horizontal Pipes. Chinese Journal of Chemical Engineering, 23(3): 471-475 (2015).
[21] Gu C., Qiu R., Liu S., You Z., Qin R., Shear Thickening Effects of Drag-Reducing Nanofluids for Low Permeability Reservoir. Advances in Geo-Energy Research, 4(3): 317-325 (2020).
[22] Raei B., Peyghambarzadeh S., Asl R.S., Experimental Investigation on Heat Transfer and Flow Resistance of Drag-Reducing Alumina Nanofluid in a Fin-and-Tube Heat Exchanger. Applied Thermal Engineering, 144: 926-936 (2018).
[23] Drzazga M., Gierczycki A., Dzido G., Lemanowicz M., Influence of Nonionic Surfactant Addition on Drag Reduction of Water Based Nanofluid in a Small Diameter Pipe. Chinese Journal of Chemical Engineering, 21(1): 104-108 (2013).
[24] Hussein A.M., Bakar R.A., Kadirgama K., Sharma K.V., Heat Transfer Enhancement Using Nanofluids in an Automotive Cooling System. International Communications in Heat and Mass Transfer, 53: 195-202 (2014).
[26] Paryani S., Ramazani SA A., Investigation of the Combination of TiO2 Nanoparticles and Drag Reducer Polymer Effects on the Heat Transfer and Drag Characteristics of Nanofluids. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 96(6): 1430-1440 (2018).
[27] Indartono Y., Usui H., Suzuki H., Komoda Y., Temperature and Diameter Effect on Hydrodynamic Characteristic of Surfactant Drag-Reducing Flows. Korea-Australia Rheology Journal, 17(4): 157-164 (2005).
[28] Jia-Fei Z., Zhong-Yang L., Ming-Jiang N., Ke-Fa C., Dependence of Nanofluid Viscosity on Particle Size and PH Value. Chinese Physics Letters, 26(6): 066202 (2009).
[29] Bari H.A., Yunus R.B., Hadi T.S., Aluminum Powder and Zwitrionic Surfactants as Drag Reducing Agents in Pipe Lines. American Journal of Applied Sciences, 7(10): 1310 (2010).
[30] Gierczycki A., Drzazga M., Lemanowicz M., Dzido G., Drag Reduction in the Flow of CuO Based Nanofluid. Inżynieria i Aparatura Chemiczna, (2015).
[31] Ming F.L.W., Abdulbari H.A., Latip N.B.A., Heidarinik S., Insoluble Nano-Powders Additives Enhancing the Flow of Liquid In Microchannel: Effect of Particle Size. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 11(4): 2146Y2152 (2016).
[32] Yanuar Y.,  Mau S., Waskito K.T., Putra O.A., Hanif R., Drag Reduction of Alumina Nanofluid in Spiral Pipe with Turbulent Flow Conditions. in AIP Conference Proceedings. AIP Publishing, (2017).
[33] Moser R.D., Kim J., Mansour N.N., Direct Numerical Simulation of Turbulent Channel Flow up to Re τ= 590. Physics of fluids, 11(4): 943-945 (1999).
[34] Peyghambarzadeh S., Hashemabadi S., Saffarian H., Shekari F., Experimental Study of the Effect of Drag Reducing Agent on Pressure Drop and Thermal Efficiency of an Air Cooler. Heat and Mass Transfer, 52: 63-72 (2016).
[35] Raei B., Shahraki F., Peyghambarzadeh S., Experimental Study of the Effect of Drag Reducing Agent on Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics. Experimental Heat Transfer, 31(1): 68-84 (2018).
[37] Ghavamifar S., Pouranfard A., Shamsi M., Experimental and Numerical Study of Drag Reduction and Heat Transfer Enhancement in a Vertical Pipe Using Water/Polyisobutylene/Nano-SiO2 Polynanofluids. Journal of Dispersion Science and Technology, 1-12 (2023).
[38] Alsurakji I.H., Al-Sarkhi A., El-Qanni A., Mukhaimar A., Drag Reducing Polymers in Multi-phase Flow Pipelines: Energy-Saving and Future Directives. (2023).
[39] Abubakar A., Al-Wahaibi T., Al-Wahaibi Y., Al-Hashmi A.R., Al-Ajmi A., Roles of Drag Reducing Polymers in Single-and Multi-Phase Flows. Chemical engineering research and design, 92(11): 2153-2181 (2014).
[40] Eshrati M., Al-Wahaibi T., Al-Hashmi A.R., Al-Wahaibi Y., Al-Ajmi A., Abubakar A., Significance of Polymer Elasticity on Drag Reduction Performance in Dispersed Oil-in-Water Pipe Flow. Chemical Engineering Research and Design, 182: 571-579 (2022).
[41] Edomwonyi-Otu L.C., Gimba M.M., Yusuf N., Drag Reduction with Biopolymer-Synthetic Polymer Mixtures in Oil-Water Flows: Effect of Synergy. Engineering Journal, 24(6): 1-10 (2020).
[42] Zhang L., Qu P., Jing Y., Yao X., Wang W.. Micro-mechanism Analysis of Heat conductivity Enhancement of Argon-based Copper Nanofluids. in Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing. (2023).
[43] Hussein H.Q., Khalaf A.F., Al-Tajer A.M., Hammoodi K.A., Basem A., Numerical Investigated to Improve Heat Transfer in a Pipe Using Nanofluid. Mathematical Modelling of Engineering Problems, 9(4) (2022).
[44] Al-Ogaili M.F., Rava M., Rasheed A.H., Othman M.H.D., Shehab M.A., Alktranee M., Heat Transfer Enhancement in Parallel Flow Double Pipe Heat Exchanger Using Aluminum Oxide and Copper Oxide Nanofluids. (2023).
[45] Li X.,  Pan J., Shi J., Chai Y., Hu S., Han Q.,Jing D., Nanoparticle-Induced Drag Reduction for Polyacrylamide in Turbulent Flow With High Reynolds Numbers. Chinese Journal of Chemical Engineering, 56: 290-298 (2023).
[47] Alsurakji I., Al‐Sarkhi A., Atiqullah M., Alhems L., El Nakla M., Study of Oil‐Soluble and Water‐Soluble Drag Reducing Polymers in Multiphase Flows. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 96(4): 1012-1028 (2018).
[48] Azmi W., Sharma K.V., Sarma P.K., Mamat R., Anuar S., Rao V.D., Experimental Determination of Turbulent Forced Convection Heat Transfer and Friction Factor with SiO2 Nanofluid. Experimental Thermal and Fluid Science, 51: 103-111 (2013).
[49] Ferrouillat S., Bontemps A., Ribeiro J.P., Gruss J.A., Soriano O., Hydraulic and Heat Transfer Study of SiO2/Water Nanofluids in Horizontal Tubes with Imposed Wall Temperature Boundary Conditions. International journal of heat and fluid flow, 32(2): 424-439 (2011).
[50] Duangthongsuk W. Wongwises S., Heat Transfer Enhancement and Pressure Drop Characteristics of TiO2–Water Nanofluid in a Double-Tube Counter Flow Heat Exchanger. International Journal of Heat and Mass Transfer, 52(7-8): 2059-2067 (2009).
[51] Duangthongsuk W. Wongwises S., An Experimental Study on the Heat Transfer Performance and Pressure Drop of TiO2-Water Nanofluids Flowing Under a Turbulent Flow Regime. International journal of heat and mass transfer, 53(1-3): 334-344 (2010).