Studi Eksperimental Karakteristik Aliran dan Perpindahan Panas Nanofluida Air TiO2 dalam Tabung Beralur Spiral
Abstrak
Karakteristik aliran dan perpindahan panas TiO2 -air nanofluida dengan fraksi massa nanopartikel yang berbeda dalam tabung bergalur spiral dan tabung halus diselidiki secara eksperimental pada bilangan Reynolds yang berbeda. Pengaruh nilai pH dan dosis zat pendispersi terhadap stabilitas TiO2 -air nanofluida dibahas. Pengaruh fraksi massa nanopartikel dan bilangan Reynolds pada bilangan Nusselt dan koefisien tahanan gesek dalam tabung bergalur spiral dan tabung halus juga diselidiki. Ditemukan bahwa TiO2 -nanofluida air dalam tabung bergalur spiral memiliki peningkatan yang lebih besar daripada di tabung halus. Peningkatan perpindahan panas dan peningkatan koefisien tahanan gesek TiO2 -air nanofluida dalam tabung bergalur spiral dan tabung halus untuk aliran laminar dan aliran turbulen dibandingkan. Ditemukan bahwa ada peningkatan perpindahan panas yang lebih besar dan peningkatan koefisien tahanan gesek yang lebih kecil untuk aliran turbulen daripada untuk aliran laminer TiO2 -air nanofluida dalam tabung bergalur spiral. Evaluasi komprehensif untuk kinerja termo-hidraulik TiO2 -air nanofluida dalam tabung halus dan tabung bergalur spiral juga dibahas.
Latar Belakang
Nanofluida adalah jenis fluida medium dengan kinerja perpindahan panas yang sangat baik (misalnya nanofluida ZnO-EG [1], nanofluida Cu-CTAC/NaSal [2], nanofluida MWCNTs-CTAC/NaSal [3]), yang diterapkan di berbagai bidang. , seperti pembangkitan air bersih [4], konversi fototermal surya [5], dan perpindahan panas didih [6].
Perpindahan panas konveksi nanofluida merupakan proses perpindahan panas yang penting termasuk perpindahan panas konveksi alami dan konveksi paksa. Banyak peneliti telah menyelidiki perpindahan panas konveksi alami nanofluida. Li dkk. [7] secara eksperimental menyelidiki konveksi alami dari selungkup persegi yang diisi dengan nanofluida ZnO-EG/DW dan memperoleh kesimpulan bahwa konsentrasi larutan berair EG yang tinggi tidak menguntungkan untuk peningkatan perpindahan panas. Hu dkk. [8] secara eksperimental dan numerik menyelidiki konveksi alami Al2 O3 -air nanofluida dalam selungkup persegi, dan ditemukan bahwa nanofluida dengan fraksi nanopartikel tertinggi memperburuk perpindahan panas. Dia dkk. [9] mempelajari secara numerik konveksi alami Al2 O3 -air nanofluida dalam selungkup persegi dengan metode Boltzmann kisi, dan hasilnya menunjukkan bahwa kinerja perpindahan panas menurun dengan fraksi volume partikel nano. Qi dkk. mempelajari secara numerik konveksi alami nanofluida Cu-Gallium dalam berbagai aspek rasio kandang dengan model fase tunggal [10] dan model Boltzmann kisi dua fase [11]; mereka [12] juga mempelajari konveksi alami Al2 O3 nanofluida air menggunakan model Boltzmann kisi dua fase, dan hasilnya menunjukkan bahwa nanofluida dalam enklosur rasio aspek yang lebih kecil memiliki rasio peningkatan perpindahan panas yang lebih tinggi. Sebagai kesimpulan, diamati bahwa beberapa faktor, seperti daya pemanasan tinggi dan fraksi nanopartikel, menguntungkan untuk peningkatan perpindahan panas, sementara beberapa faktor lain, seperti rasio aspek besar selungkup dan cairan dasar dengan konduktivitas termal rendah, dapat menyebabkan pengurangan perpindahan panas konveksi alami. Meskipun konveksi alami dari nanofluida diterapkan secara luas di banyak bidang, konveksi ini tidak dapat memenuhi pembuangan panas efisien tinggi di bawah kondisi densitas daya tinggi.
Dibandingkan dengan konveksi alami, perpindahan panas konveksi paksa memiliki koefisien perpindahan panas yang lebih tinggi. Para peneliti mengadopsi metode eksperimental yang berbeda untuk menyelidiki karakteristik perpindahan panas konveksi paksa dari nanofluida. Matahari dkk. [13, 14] secara eksperimental menyelidiki karakteristik aliran dan perpindahan panas dari Cu-air, Al-air, Al2 O3 -air, Fe2 O3 -air, dan nanofluida Cu-air dalam tabung ulir eksternal sabuk bengkok built-in, dan ditemukan bahwa nanofluida Cu-air menunjukkan kinerja perpindahan panas terbaik. Yang dkk. [15] secara eksperimental menyelidiki karakteristik aliran dan perpindahan panas dari nanofluida Cu-air dan fluida Cu-viskoelastik dalam tabung halus, dan hasilnya menunjukkan bahwa nanofluida fluida Cu-viskoelastik memiliki kinerja perpindahan panas yang lebih tinggi daripada fluida dasar viskoelastik tetapi alirannya lebih rendah. resistensi dari nanofluida Cu-air. Abdolbaqi dkk. [16] secara eksperimental mempelajari peningkatan perpindahan panas TiO2 -BioGlikol/air nanofluida dalam tabung datar dan membentuk korelasi baru antara peningkatan perpindahan panas dan faktor gesekan, dan hasilnya menunjukkan bahwa kinerja perpindahan panas nanofluida adalah sekitar 28,2% lebih besar dari fluida dasar. Naphon [17] secara eksperimental mempelajari karakteristik perpindahan panas TiO2 -air nanofluida dalam tabung spiral melingkar horizontal, dan ditemukan bahwa kinerja perpindahan panas nanofluida meningkat dengan penurunan kelengkungan dan peningkatan fraksi nanopartikel. Syahrul dkk. [18] dan Kumar dan Sonawane [19] secara eksperimental menyelidiki karakteristik perpindahan panas dari tiga jenis nanofluida (Al2 O3 -air, SiO2 -air, dan ZnO-air) dan dua jenis nanofluida (Fe2 O3 -air dan Fe2 O3 -EG) dalam penukar panas shell and tube, dan ditemukan bahwa ZnO-air dan Fe2 O3 -air nanofluida menunjukkan kinerja perpindahan panas terbaik dalam penelitiannya masing-masing. El-Maghlany dkk. [20] secara eksperimental menyelidiki karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan nanofluida Cu-air dalam penukar panas tabung ganda horizontal, dan hasilnya menunjukkan bahwa peningkatan perpindahan panas nanofluida meningkat dengan fraksi nanopartikel. Sundar dkk. [21] secara eksperimental mempelajari karakteristik aliran dan perpindahan panas Fe3 O4 -air nanofluida dalam tabung polos horizontal dengan sisipan belokan balik dan koil kawat, dan hasilnya menunjukkan bahwa kinerja perpindahan panas meningkat dengan meningkatnya fraksi nanopartikel dan penurunan rasio p/d dari sisipan koil kawat. Studi di atas terutama berfokus pada kinerja perpindahan panas nanofluida dalam tabung halus, tabung datar, tabung melingkar spiral, atau tabung dengan sisipan kumparan kawat.
Selain studi eksperimental di atas, karakteristik perpindahan panas konveksi paksa dari nanofluida dalam tabung bergelombang spiral juga diselidiki. Darzi dkk. [22, 23] secara eksperimental dan numerik mempelajari perpindahan panas turbulen Al2 O3 -air nanofluida dalam tabung bergelombang heliks, dan hasilnya menunjukkan bahwa kinerja perpindahan panas yang lebih baik diperoleh daripada di tabung biasa. Darzi dkk. [24] secara eksperimental menyelidiki karakteristik perpindahan panas turbulen dari SiO2 -air nanofluida dalam tabung bergelombang heliks dan membahas efek lima nada bergelombang pada perpindahan panas tabung bergelombang, dan hasilnya menunjukkan bahwa nada bergelombang kecil dapat meningkatkan kinerja perpindahan panas secara signifikan. Taman dkk. [25] mempelajari perpindahan panas kristal cair termokromik dalam tabung bergalur spiral, dan hasilnya menunjukkan bahwa rasio peningkatan perpindahan panas antara tabung bergalur spiral dan tabung halus pada bilangan Reynolds rendah (30.000) lebih tinggi daripada di tinggi Bilangan Reynolds (50.000 dan 70.000). Penelitian di atas terutama menyelidiki perpindahan panas dan karakteristik aliran nanofluida dalam tabung bergelombang spiral. Namun, analisis komprehensif untuk kinerja termo-hidraulik nanofluida dalam tabung halus dan tabung bergalur spiral perlu didiskusikan lebih lanjut.
Studi di atas memberikan kontribusi besar pada karakteristik aliran dan perpindahan panas dalam tabung halus, tabung halus dengan sisipan kumparan kawat, penukar panas, tabung bergelombang spiral, dan sebagainya. Kebaruan utama dari naskah ini terutama mencakup yang berikut:(1) metode baru pengujian stabilitas nanofluida (metode transmisi) dibuat dengan spektrofotometer ultraviolet, yang berbeda dari metode pengendapan yang diadopsi secara luas oleh referensi yang diterbitkan. Hasil metode transmitansi dapat dikuantifikasi sedangkan hasil metode presipitasi kurang dapat dikuantifikasi; dan (2) evaluasi komprehensif untuk kinerja termo-hidraulik TiO2 -nanofluida air dalam tabung halus dan tabung bergalur spiral dibahas, yang kurang diselidiki. Pada catatan yang menarik, ditemukan bahwa nanofluida pada bilangan Reynolds tertinggi mungkin tidak memiliki kinerja termo-hidraulik terbaik dalam tabung beralur spiral dan ada bilangan Reynolds kritis untuk kinerja termo-hidraulik terbaik.
Metode
Studi Persiapan dan Stabilitas Nanofluida
TiO2 dipilih sebagai nanopartikel, dan air dipilih sebagai fluida dasar. Gambar 1 menunjukkan TiO2 nanopartikel. TiO2 -nanofluida air dalam percobaan dibuat dengan metode dua langkah, dan Gambar 2 menyajikan detail proses preparasi. Untuk setiap sub-langkah, waktu pengadukan mekanis adalah setengah jam dan waktu sonikasi adalah 40 menit. Fraksi massa zat pendispersi dalam air adalah 6 % berat, dan nilai pH nanofluida adalah 8. Tabel 1 menyajikan informasi beberapa bahan dalam proses preparasi nanofluida. Dari Gambar 1, ditemukan bahwa nanopartikel mudah beragregasi. Oleh karena itu, stabilitas nanofluida diselidiki menggunakan metode presipitasi yang diadopsi secara luas oleh referensi yang diterbitkan. Stabilitas TiO2 -nanofluida air dengan berbagai fraksi massa (0,1, 0,3, dan 0,5%berat) pada waktu diam yang berbeda dipelajari pada Gambar 3, yang menunjukkan bahwa stabilitas nanofluida 72 jam kemudian masih baik.
Morfologi TiO2 nanopartikel. Gambar TEM dari TiO2 nanopartikel:a 20 nm, b 50 nm, dan c 100 nm
Persiapan nanofluida. Proses persiapan TiO2 -air nanofluida dengan metode dua langkah
Pengamatan stabilitas nanofluida. TiO2 -air nanofluida pada waktu diam yang berbeda:at = 0 j, bt = 48 j, dan ct = 72 j
Untuk memeriksa lebih lanjut stabilitas nanofluida, metode baru pengujian stabilitas nanofluida (metode transmisi) ditetapkan oleh spektrofotometer ultraviolet dalam makalah ini. Gambar 4 menunjukkan transmitansi (τ ) perubahan TiO2 -air nanofluida (ω = 0,3%) dengan waktu diam. Efek dari dosis yang berbeda (M ) zat pendispersi dan nilai pH yang berbeda pada stabilitas nanofluida diselidiki. Seperti yang kita ketahui, jika nanopartikel terdistribusi secara merata di dalam air, nanofluida akan memantulkan paling banyak cahaya, sehingga nanofluida memiliki reflektansi yang tinggi dan transmitansi yang rendah. Dapat ditemukan dari Gambar 4 bahwa nanofluida (ω = 0,3%) dengan M = 6 wt% dan pH = 8 memiliki transmitansi terendah. Nanofluida dengan fraksi massa lainnya (ω = 0,1% dan ω = 0,5%) semuanya disiapkan di M = 6 wt% dan pH = 8 dalam makalah ini, dan tren perubahan transmisi nanofluida dengan ω = 0,1% dan ω = 0,5% sama dengan nanofluida dengan ω = 0,3%. Oleh karena itu, stabilitas nanofluida yang baik yang disiapkan dalam makalah ini dapat dijamin. Selain itu, setelah penyelidikan efek zat pendispersi dan pH pada konduktivitas termal dan viskositas air, ditemukan pengaruh kecil pada zat pendispersi dan NaOH.
Transmisi (τ ) dari nanofluida (ω = 0,3%). Transmisi berubah dengan waktu diam TiO2 -air nanofluida (ω = 0,3%) dengan dosis berbeda (M ) zat pendispersi:aA = 5 wt%, bA = 6 % berat, cA = 7 wt%, dan dA = 8 % berat
Gambar 5 menunjukkan konduktivitas termal dan viskositas dinamis TiO2 -air nanofluida pada suhu dan laju geser yang berbeda. Ditemukan bahwa konduktivitas termal air dalam makalah ini memiliki kesepakatan yang baik dengan Maxwell [26]. Dapat ditemukan bahwa konduktivitas termal meningkat dengan fraksi massa nanopartikel dan konduktivitas termal nanofluida meningkat 0,17-1,6% dibandingkan dengan air karena konduktivitas termal yang tinggi dari nanopartikel. Juga, ditemukan bahwa konduktivitas termal meningkat dengan suhu, karena suhu tinggi meningkatkan gerakan Brown dari nanopartikel dan meningkatkan konduktivitas termal nanofluida. Selain kesimpulan konduktivitas termal, dapat ditemukan bahwa viskositas dinamis meningkat dengan laju geser pada tahap awal dan tetap konstan dengan meningkatnya laju geser dan viskositas nanofluida meningkat 2,5-13,6% dibandingkan dengan air. Hal ini karena gaya geser kecil yang ditambahkan dalam nanofluida pada tahap awal memecah keseimbangan medan aliran dan menyebabkan peningkatan viskositas dinamis (perilaku penebalan geser). Viskositas dinamis konstan ketika medan aliran mencapai keadaan tunak lagi, yang memiliki kesesuaian yang baik dengan karakteristik fluida Newtonian.
Konduktivitas termal dan viskositas dinamis. Konduktivitas termal dan viskositas dinamis TiO2 -air nanofluida pada suhu dan laju geser yang berbeda. a Konduktivitas termal b Viskositas dinamis
Sistem Eksperimental
Sistem eksperimental untuk karakteristik aliran dan perpindahan panas TiO2 -air nanofluida dalam tabung bergalur spiral didirikan. Gambar 6 merupakan diagram skema dari sistem eksperimental. Sistem eksperimental terutama mencakup bagian uji perpindahan panas, bagian uji hambatan aliran, wastafel kontrol suhu, dan pompa. Tabung bergalur spiral dipanaskan oleh kawat resistansi yang terhubung ke daya DC. Temperatur dinding luar tabung beralur spiral diperoleh dengan sepuluh termokopel tipe-T yang terdistribusi secara merata di permukaan tabung bergalur spiral. Suhu keluar dan suhu masuk nanofluida dari tabung bergalur spiral diukur dengan dua termokopel tipe-K. Semua termokopel terhubung ke instrumen akuisisi data (Agilent 34972A). Hambatan aliran diukur dengan instrumen tekanan diferensial.
sistem eksperimental. Diagram skema sistem eksperimental
Diagram rinci dari tabung beralur spiral ditunjukkan pada Gambar. 7. Untuk tabung halus dan tabung bergalur spiral, bahannya semua baja tahan karat, diameter ekivalennya sama, panjangnya semua 1200 mm, bagian uji semuanya bagian tengah tabung 1000 mm, dan bagian 100 mm dibiarkan di setiap ujung tabung untuk menghindari efek masuk.
Tabung bergalur spiral. Diagram terperinci dari tabung bergalur spiral
dimana Qf adalah panas yang diserap oleh fluida, cp adalah panas jenis fluida, qm adalah laju aliran massa, dan Tkeluar dan Tdi adalah suhu keluar dan suhu masuk fluida.
dimana cp adalah kapasitas panas nanofluida, φ adalah fraksi volume nanopartikel, subskrip “bf” mewakili fluida dasar, dan subskrip “p” mewakili nanopartikel.
dimana Tow adalah suhu rata-rata dinding luar tabung, T w(i ) adalah suhu termokopel yang menempel pada dinding luar tabung, dan ada sepuluh termokopel yang dipasang secara seragam pada dinding luar tabung.
Suhu rata-rata dinding internal tabung dapat dihitung sebagai berikut:
$$ {T}_{\mathrm{iw}}={T}_{\mathrm{ow}}-\frac{Q_{\mathrm{f}}\ln \left(r\mathrm{o}/ ri \right)}{2\pi \lambda l},\left(i=1,2,3\dots 10\right) $$ (6)
dimana Tiw adalah suhu rata-rata dinding bagian dalam tabung, r o dan ri adalah jari-jari luar dan jari-jari dalam tabung, λ adalah konduktivitas termal tabung, dan l adalah panjang tabung.
Koefisien perpindahan panas konveksi dihitung sebagai berikut:
di mana Re adalah bilangan Reynolds, ρ adalah densitas fluida, u adalah kecepatan fluida, dan μf adalah viskositas dinamis cairan yang diukur dengan reometer super rotasi.
dimana akurasi daya DC adalah ± 5.0%, akurasi termokopel adalah ± 0.1%, dan kesalahan bilangan Nusselt dapat diperoleh dari Persamaan. (13) dan kira-kira ± 5,0%. Akurasi transduser tekanan ± 0,5%, akurasi panjang ± 0,1%, akurasi laju aliran massa ± 1,06%, dan kesalahan koefisien tahanan gesek dapat diperoleh dari Persamaan. (14) dan kira-kira ± 1,29%.
Hasil dan Diskusi
Validasi Sistem Eksperimental
Sebelum studi eksperimental pada nanofluida, validasi sistem eksperimental diperlukan. Air dipilih sebagai media perpindahan panas. Bilangan Nusselt dan koefisien tahanan gesek antara hasil eksperimen makalah ini dan hasil literatur yang diterbitkan ditunjukkan pada Gambar. 8 dan 9. Hal ini dapat ditemukan dari Gambar. 8 dan 9 bahwa bilangan Nusselt dan koefisien hambatan gesekan pada bilangan Reynolds yang berbeda memiliki kesesuaian yang baik dengan hasil literatur yang diterbitkan [28, 29] dan [30, 31]. Kesalahan maksimum untuk bilangan Nusselt dan koefisien tahanan gesek pada aliran laminar dan aliran turbulen masing-masing kira-kira 3,5, 2,8, 2,1, dan 2,1%, yang memverifikasi keakuratan dan keandalan sistem eksperimental. Juga, ditemukan bahwa hasil Dittus-Boelter pada Gambar. 8b lebih tinggi daripada hasil nyata di bawah aliran transisi karena rumus empiris hanya dapat diterapkan pada zona turbulensi kuat, yang sesuai dengan hasil literatur [28] . Ini membuktikan validitas hasil dalam makalah ini lebih lanjut.
Validasi karakteristik perpindahan panas. Perbandingan bilangan Nusselt antara hasil eksperimen dengan hasil literatur. a Aliran laminar b Aliran turbulen
Validasi karakteristik aliran. Perbandingan koefisien tahanan gesek antara hasil eksperimen dengan hasil literatur. a Aliran laminar b Aliran turbulen
Hasil dan Diskusi Eksperimen
Karakteristik aliran dan perpindahan panas TiO2 -nanofluida air dalam tabung halus diselidiki. Gambar 10 menyajikan bilangan Nusselt dari tabung halus yang diisi dengan nanofluida pada bilangan Reynolds yang berbeda. Untuk aliran laminar dan aliran turbulen, bilangan Nusselt meningkat dengan bilangan Reynolds dan fraksi massa nanopartikel. Turbulivitas fluida meningkat dengan bilangan Reynolds, yang mengurangi lapisan batas laminar dan meningkatkan perpindahan panas. Menambahkan lebih banyak nanopartikel ke dalam cairan dasar menyebabkan peningkatan konduktivitas termal keseluruhan, yang juga meningkatkan perpindahan panas. Selain itu, disarankan [32, 33] bahwa faktor-faktor lain termasuk peningkatan gerak Brown nanopartikel, pengurangan sudut kontak, laju geser yang tidak seragam, bentuk partikel, dan agregasi juga memiliki pengaruh besar dalam peningkatan perpindahan panas. Dalam makalah yang diterbitkan sebelumnya [11], efek gaya Brown dan ukuran partikel pada peningkatan perpindahan panas dibahas. Ditemukan bahwa gaya Brown adalah gaya terbesar dari gaya interaksi antar partikel nano, yang menguntungkan untuk peningkatan perpindahan panas, dan ukuran partikel yang kecil juga menguntungkan untuk peningkatan perpindahan panas. Ditemukan dari Gambar 10a bahwa rasio peningkatan perpindahan panas dari air ke ω = 0,1 wt% nanofluida menunjukkan yang terbesar, tetapi rasio peningkatan perpindahan panas nanofluida dari ω = 0,1 berat% hingga ω = 0.3 wt% mulai menurun, dan rasio peningkatan perpindahan panas nanofluida dari ω = 0,3 wt% hingga ω = 0,5 wt% menyaksikan yang terkecil. Seperti yang ditunjukkan Gambar 5, konduktivitas termal dan viskositas nanofluida masing-masing meningkat 0,17-1,6% dan 2,5-13,6% dibandingkan dengan air. Untuk aliran laminar, efek viskositas pada perpindahan panas kecil karena kecepatan rendah dan sedikit nanopartikel, dan kemudian konduktivitas termal memainkan peran utama dari air ke ω = 0,1 wt% nanofluida. Namun, dengan peningkatan fraksi nanopartikel menunjukkan peningkatan viskositas yang lebih dramatis dibandingkan dengan peningkatan konduktivitas termal, yang menyebabkan rasio peningkatan perpindahan panas menurun. Untuk aliran turbulen, ditemukan bahwa peningkatan perpindahan panas nanofluida dengan fraksi massa nanopartikel yang berbeda mendekati. Hal ini dikarenakan turbulensi berperan besar dalam peningkatan perpindahan panas, dan efek fraksi massa nanopartikel menjadi kecil. Juga, dapat ditemukan bahwa nanofluida menunjukkan rasio peningkatan perpindahan panas yang lebih besar dalam aliran laminar dibandingkan dengan aliran turbulen. Fraksi massa nanopartikel memainkan peran utama dalam peningkatan perpindahan panas dalam aliran laminar, dan ini menunjukkan peningkatan perpindahan panas yang besar dengan meningkatnya fraksi massa nanopartikel. Namun, efek fraksi massa nanopartikel pada peningkatan perpindahan panas menjadi kecil dalam aliran turbulen, dan intensitas turbulensi memainkan peran utama; karenanya, ini menunjukkan rasio peningkatan perpindahan panas yang lebih kecil dengan peningkatan fraksi massa nanopartikel pada aliran turbulen dibandingkan dengan aliran laminar.
Bilangan Nusselt dalam tabung halus. Nomor Nusselt dari tabung halus yang diisi dengan nanofluida pada bilangan Reynolds yang berbeda. a Aliran laminar b Aliran turbulen
Berdasarkan data Gambar 10, Gambar 11 menunjukkan rasio bilangan Nusselt nanofluida dengan air dalam tabung halus. Dapat ditemukan bahwa TiO2 -air nanofluida dengan ω = 0,5 % berat, ω = 0,3 % berat, dan ω = 0,1 wt% meningkatkan perpindahan panas masing-masing sebesar 11,2, 7,4, dan 4,5% untuk aliran laminar dan 16,1, 13,9, dan 11,9% untuk aliran turbulen dibandingkan dengan air dalam tabung halus.
Rasio bilangan Nusselt dalam tabung halus. Rasio bilangan Nusselt antara nanofluida dan fluida dasar dalam tabung halus
Selain studi karakteristik perpindahan panas TiO2 -air nanofluida dalam tabung halus, karakteristik aliran juga diselidiki. Gambar 12 menyajikan koefisien tahanan gesek dan penurunan tekanan dari tabung halus yang diisi dengan nanofluida. Dari Gambar 12, ditemukan bahwa koefisien tahanan gesek menurun dengan bilangan Reynolds karena kenaikan bilangan Reynolds menyebabkan peningkatan kecepatan, yang berbanding terbalik dengan koefisien tahanan gesek sesuai dengan Persamaan. (9) dan (11). Ditemukan bahwa penurunan tekanan menurun dengan koefisien tahanan gesek karena penurunan tekanan sebanding dengan bilangan Reynolds tetapi koefisien hambatan gesek berbanding terbalik dengan bilangan Reynolds. Oleh karena itu, penurunan tekanan berbanding terbalik dengan koefisien tahanan gesek. Juga, dapat ditemukan dari Gambar. 12 bahwa koefisien tahanan gesek meningkat dengan fraksi massa nanopartikel tetapi peningkatannya kecil antara fraksi massa nanopartikel yang berbeda. Untuk TiO2 -air nanofluida dengan ω = 0,5 % berat, ω = 0,3 % berat, dan ω = 0,1 berat% dalam tabung halus, peningkatan maksimum 7,9, 5,2, dan 3,0% pada aliran laminar dan 2,5, 1,5, dan 0,6% pada aliran turbulen terjadi dalam koefisien tahanan gesek dibandingkan dengan air dalam tabung halus, masing-masing. Penambahan nanopartikel ke dalam air menyebabkan peningkatan viskositas yang sebanding dengan koefisien tahanan gesek. However, the frictional resistance is mainly caused by the screw structure of the spirally fluted tube, and the effect of nanoparticles on the frictional resistance is much smaller than that of the screw structure, which causes a small difference between different nanoparticle mass fractions.
Frictional resistance coefficients and pressure drop in the smooth tube. Frictional resistance coefficients and pressure drop of the smooth tube filled with nanofluids. Frictional resistance coefficients:a laminar flow and b turbulent flow; pressure drop:c laminar flow and d turbulent flow
Above studies are on smooth tube, and the flow and heat transfer characteristics of water and TiO2 -water nanofluids in the spirally fluted tube will be investigated in the following text. Figure 13 presents the Nusselt numbers of the spirally fluted tube filled with TiO2 -water nanofluids at different Reynolds numbers. It obtains a similar conclusion in the spirally fluted tube (Fig. 13) similar to that in the smooth tube (Fig. 10). It is found that the Nusselt number increases with the Reynolds number and nanoparticle mass fraction. The differences between the spirally fluted tube and smooth tube are that there is a larger heat transfer enhancement in the spirally fluted tube than that in the smooth tube, which is due to the screw structure of the spirally fluted tube.
Nusselt numbers in the spirally fluted tube. Nusselt numbers of the spirally fluted tube filled with nanofluids at different Reynolds numbers. a Laminar flow b Turbulent flow
Based on the data of Fig. 13, Fig. 14 shows the Nusselt number ratios of nanofluids to the water in the spirally fluted tube. Figure 14 shows that TiO2 -water nanofluids with ω = 0.5 wt%, ω = 0.3 wt%, and ω = 0.1 wt% can enhance the heat transfer by 14.7, 12.6, and 11.3% for laminar flow and 42.8, 35.4, and 24.6% for turbulent flow at best compared with water in the spirally fluted tube, respectively. There is a larger increase in heat transfer for turbulent flow than that for laminar flow.
Nusselt number ratios in the spirally fluted tube. Nusselt number ratios between nanofluids and base fluid in the spirally fluted tube
The flow characteristics of TiO2 -water nanofluids in the spirally fluted tube are also studied. Figure 15 presents the frictional resistance coefficients and pressure drop of the spirally fluted tube filled with nanofluids, which shows that the frictional resistance coefficient decreases with the Reynolds number and increases with the nanoparticle mass fraction, and the pressure drop decreases with the frictional resistance coefficient. The reasons are similar to that in the smooth tube (Fig. 12c, d). TiO2 -water nanofluids with ω = 0.5 wt%, ω = 0.3 wt%, and ω = 0.1 wt% can enhance the frictional resistance coefficients by 20.2, 16.5, and 12.5% for laminar flow and 10.5, 7.7, and 2.0% for turbulent flow at best compared with water in the spirally fluted tube, respectively. There is a smaller increase in frictional resistance coefficients for turbulent flow than that for laminar flow.
Frictional resistance coefficients and pressure drop in the spirally fluted tube. Frictional resistance coefficients of the spirally fluted tube filled with nanofluids. Frictional resistance coefficients:a laminar flow and b turbulent flow; pressure drop:c laminar flow and d turbulent flow
The heat transfer characteristics of TiO2 -water nanofluids in the smooth tube and spirally fluted tube are investigated in this paper separately. Figure 16 shows the comparison of Nusselt numbers between the smooth tube and the spirally fluted tube filled with nanofluids at different Reynolds numbers. It can be found that TiO2 -water nanofluids with ω = 0.5 wt%, ω = 0.3 wt%, and ω = 0.1 wt% in the spirally fluted tube can enhance the heat transfer by 257.9, 245.1, and 240.7% at best compared with TiO2 -water nanofluids in the smooth tube, respectively. Also, TiO2 -water nanofluids with ω = 0.5 wt%, ω = 0.3 wt%, and ω = 0.1 wt% in the spirally fluted tube can enhance the heat transfer by 291.3, 268.8, and 253.1% at best compared with water in the smooth tube, respectively. TiO2 -water nanofluids in the spirally fluted tube have a larger enhancement than that in the smooth tube.
Comparison of Nusselt numbers in two tubes. Comparison of Nusselt numbers between the smooth tube and spirally fluted tube filled with nanofluids at different Reynolds numbers
In order to synthetically analyze the thermo-hydraulic performance of TiO2 -water nanofluids in the smooth tube and spirally fluted tube, Fig. 17 presents the comprehensive analysis of nanofluids in the smooth tube and the spirally fluted tube based on the Eq. (12). It can be found that the highest comprehensive evaluation index ξ for spirally fluted tube is about at Re = 2300 which is the critical Reynolds number between laminar flow and turbulent flow. The increases of the Nusselt number and frictional resistance coefficients are mainly due to the nanoparticles, the Reynolds number, and the screw structure of spirally fluted tube. For spirally fluted tube, due to the screw structure, the increase of the Nusselt number is larger than the increase of frictional resistance coefficients at small Reynolds number (Re ≤ 2300); conversely, the increase of the Nusselt number is smaller than the increase of frictional resistance coefficients at big Reynolds number (Re > 2300). Also, the comprehensive evaluation index ξ for the smooth tube increases with the Reynolds number. The increase of the Nusselt number is always larger than the increase of frictional resistance coefficients because the smooth tube has no screw structure. The conclusions of Fig. 17 are very important for the choices of tubes and Reynolds numbers in the heat-exchange equipment considering the comprehensive evaluation of the thermo-hydraulic performance. For the smooth tube, the higher Reynolds number can be chosen due to the factor that the thermo-hydraulic index always increases with the Reynolds number. While for the spirally fluted tube, the appropriate Reynolds number for the highest thermo-hydraulic index is about 2300.
Comprehensive analysis of the two tubes. Comprehensive analysis of nanofluids in the smooth tube and the spirally fluted tube
Kesimpulan
The flow and heat transfer characteristics of TiO2 -water nanofluids in a spirally fluted tube are experimentally studied. Some conclusions are obtained as follows:
(1)
TiO2 -water nanofluids with different nanoparticle mass fractions are prepared, and TiO2 -water nanofluids with M = 6 wt% and pH = 8 have the lowest transmittance and show the best stability.
(2)
For TiO2 -water nanofluids in the spirally fluted tube, there is a larger increase in heat transfer and a smaller increase in frictional resistance coefficients for turbulent flow than that for laminar flow.
(3)
TiO2 -water nanofluids in the spirally fluted tube have a larger enhancement than that in the smooth tube. TiO2 -water nanofluids in the spirally fluted tube can enhance the heat transfer by 257.9% at best compared with that in the smooth tube.
(4)
The highest comprehensive evaluation indexes of TiO2 -water nanofluids in the spirally fluted tube and smooth tube are different. For the spirally fluted tube, the highest comprehensive evaluation index ξ is at Re = 2300 which is the critical Reynolds number between the laminar flow and the turbulent flow. For the smooth tube, the comprehensive evaluation index ξ increases with the Reynolds number.
20 nm, b 
50 nm, dan c 
100 nm
