اثر تعداد صفحه بر شرایط بهینه مبدل حرارتی صفحه‌ای واشردار با هیبرید گرافن-نانولوله کربنی

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دکتری، مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران

2 استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران

چکیده

در این مقاله به کمک فعال‌کننده سطحی سدیم‌دودسیل‌سولفات، هیبرید نانوسیال گرافن-نانولوله‌کربنی در سیال پایه آب پایدار گردید. نانوسیال تهیه‌شده در مجاور سیال گرم آب دیونیزه، در مبدل حرارتی صفحه‌ای که دارای 11، 13، 15 و 17 صفحه است، قرار گرفت. اثر تغییر دبی و تعداد صفحه‌‌های مبدل بر ضریب انتقال حرارت و افت فشار به ‌صورت آزمایشگاهی مورد آنالیز قرار گرفت. نتایج برای جریان آرام نشان داد که اثر بیشتر‌شدن تعداد صفحه باعث کم‌شدن هم‌زمان ضریب کلی انتقال حرارت (%1/26) و افت فشار (%5/52) میگردد. بنابراین، عملکرد مبدل، توان پمپاژ و راندمان حرارتی نانوسیال نیز موردبررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که بیشترشدن تعداد صفحه، باعث بالارفتن راندمان و عملکرد مبدل و کمشدن توان پمپاژ میگردد که عوامل مطلوب است. طراحی آزمایش‌ها برای یافتن شرایط مطلوب و اثرگذاری هریک به روش تاگوچی نیز انجام شد. نتایج همجنان نشان‌ داد که اثر کاهش دبی نانوسیال از اثر افزایش تعداد صفحه در عملکرد مبدل بیشتر است. شرایط مطلوب متناظر با حداکثر تعداد صفحه و حداقل دبی هیبرید است (ضریب کلی انتقال حرارت W/m2.K 5/978، افت فشار kPa 0701/0، راندمان حرارتی هیبرید %93، توان پمپاژ kW 0023/0 و عملکرد مبدل 2098/1 است). با مقایسه نتایج تاگوچی، صحت نتایج تجربی تایید شد.

کلیدواژه‌ها


[1] Bahiraei M, Rahmani R, Yaghoobi A, Khodabandeh E, Mashayekhi R, Amani M (2018) Recent research contributions concerning use of nanofluids in heat exchangers: A critical review. Appl Therm Eng 133: 137-159.
[2] Qiu L, Zhu N, Feng Y, Michaelides EE, Żyła G, Jing D, Zhang X, Norris, PM, Markides CHN, Mahian O (2020) A review of recent advances in thermophysical properties at the nanoscale: From solid state to colloids. Phys Rep 843: 1-81.
[3] Sadri R, Zangeneh Kamali K, Hosseini M, Zubir N, Kazi SN, Ahmadi G, Golsheikh AM (2017) Experimental study on thermo-physical and rheological properties of stable and green reduced graphene oxide nanofluids: Hydrothermal assisted technique. J Disper Sci Technol 38(9): 1302-1310.
[4] Tiwari AK, Ghosh P, Sarkar J (2015) Particle concentration levels of various nanofluids in plate heat exchanger for best performance. Int J Heat Mass Tran 89: 1110-1118.
[5] Huang D, Wu Z, Sunden B (2016) Effects of hybrid nanofluid mixture in plate heat exchangers. Exp Therm Fluid Sci 72: 190-196.
[6] Giwa SO, Sharifpur M, Goodarzi M, Alsulami H, Meyer JP (2021) Influence of base fluid, temperature, and concentration on the thermophysical properties of hybrid nanofluids of alumina–ferrofluid: experimental data, modeling through enhanced ANN, ANFIS, and curve fitting. J Therm Anal Calorim 143(6): 4149-4167.
[7] Caradonna A, Badini C, Padovano E, Pietroluongo M (2019) Electrical and thermal conductivity of epoxy-carbon filler composites processed by calendaring. Mater 12(9): 1522.
[8] Nadooshan AA, Eshgarf H, Afrand M (2018) Measuring the viscosity of Fe3O4-MWCNTs/EG hybrid nanofluid for evaluation of thermal efficiency: Newtonian and non-Newtonian behavior. J Mol Liq 253: 169-177.
[9] Xian H, Sidik NAC, Saidur R (2020) Impact of different surfactants and ultrasonication time on the stability and thermophysical properties of hybrid nanofluids. Int Commun Heat Mass 110: 104389.
[10] Moradi M, Abouchenari A, Pudine M, Sharifianjazi F (2021) The effect of polymeric surfactant content on the mechanical properties of Al/GNP nanocomposites.  Mater Chem Phys 257: 123831.
[11] Shanbedi M, Amiri A, Heris SZ, Eshghi H, Yarmand H (2018) Effect of magnetic field on thermo-physical and hydrodynamic properties of different metals-decorated multi-walled carbon nanotubes-based water coolants in a closed conduit.  J Therm Anal Calorim 131(2): 1089-1106.
[12] Amiri A, Shanbedi M, AliAkbarzade MJ (2016) The specific heat capacity, effective thermal conductivity, density, and viscosity of coolants containing carboxylic acid functionalized multi-walled carbon nanotubes. J Disper Sci Technol 37(7): 949-955.
[13] Goodarzi M, Amiri A, Goodarzi MS, Safaei MR, Karimipour A, Languri EM, Dahari M (2015) Investigation of heat transfer and pressure drop of a counter flow corrugated plate heat exchanger using MWCNT based nanofluids. Int Commun Heat Mass 66: 172-179.
[14] Agromayor R, Cabaleiro D, Pardinas AA, Vallejo JP, Fernandez-Seara J, Lugo L (2016) Heat transfer performance of functionalized graphene nanoplatelet aqueous nanofluids. Materials 9(6): 455.
[15] Allahyar HR, Hormozi F, ZareNezhad B (2016) Experimental investigation on the thermal performance of a coiled heat exchanger using a new hybrid nanofluid. Exp Therm Fluid Sci 76: 324-329.
[16] Megatif L, Ghozatloo A, Arimi A, Shariati-Niasar M (2016) Investigation of laminar convective heat transfer of a novel TiO2–carbon nanotube hybrid water-based nanofluid. Exp Heat Transfer 29(1): 124-138.
[17] Amiri A, Sadri R, Shanbedi M, Ahmadi G, Kazi SN, Chew BT, Zubir MNM (2015) Synthesis of ethylene glycol-treated graphene nanoplatelets with one-pot, microwave-assisted functionalization for use as a high performance engine coolant. Energ Convers Manage 101: 767-777.
[18] Kumar B, Singh SN (2017) Study of pressure drop in single pass U-type plate heat exchanger. Exp Therm Fluid Sci 87: 40-49.
[19] Demirkır Ç, Ertürk H (2021) Convective heat transfer and pressure drop characteristics of graphene-water nanofluids in transitional flow. Int Commun Heat Mass 121: 105092.
[20] Bozorgan N, Shafahi M (2017) Analysis of gasketed-plate heat exchanger performance using nanofluid. Journal of Heat and Mass Transfer Research 4(1): 65-72.
[21] Ramezani Azghandi O, Maghrebi MJ, Teymourtash AR (2021) Investigation and optimization of heat transfer coefficient of MWCNTs-Water nanofluids in a plate heat exchanger. Int J Nano Dimens 12(2): 104-112.
[22] Naddaf A, Heris SZ (2018) Experimental study on thermal conductivity and electrical conductivity of diesel oil-based nanofluids of graphene nanoplatelets and carbon nanotubes. Int J Heat Mass Tran  95: 116-122.
[23] Mansour RB, Galanis N, Nguyen CT (2007) Effect of uncertainties in physical properties on forced convection heat transfer with nanofluids. Appl Therm Eng 27(1): 240-249.
[24] Zahrani SAL, Islam MS, Saha SC (2021) Heat transfer enhancement investigation in a novel flat plate heat exchanger. Int J Therm Sci 161: 106763.
[25] Kakac S., Liu H, Pramuanjaroenkij A (2002) Heat exchangers: selection, rating, and thermal design. CRC press.
[26] Akturk F, Sezer-Uzol N, Aradag S, Kakac S (2015) Experimental investigation and performance analysis of gasketed-plate heat exchangers. J Therm Sci Tech-Jpn 35(1): 43-52.
[27] Shokouhmand H, Hasanpour M (2020) Effect of number of plates on the thermal performance of a plate heat exchanger with considering flow maldistribution. J. Energy Storage 32: 101907.
[28] Ramezani Azghandi O, Maghrebi MJ, Teymourtash AR (2016) Modification of Glucose biosensor using Pt/MWCNTs electrode and optimization by application of taguchi method. Int J Nano Dimens 7(3): 231-239.