Improving the Performance of a Double Pipe Heat Exchanger Using (MgO-CMC/Water) Nanofluid with a Two-phase Flow

الموضوعات

علوم تطبيقية وتكنولوجية

الملخص

A nanofluid with different concentrations of Magnesium oxide (MgO) and carboxymethyl cellulose (CMC) is examined in a horizontal U-bend double-pipe heat exchanger to improve the performance for parallel and counter flow under the effect of single and two-phase flow. The study contributes to volume flow rates (8, 10, 12, and 14) L/min for pure water, Water-CMC fluid at CMC concentrations (0.2% and 0.5%) by weight, Water-MgO fluid at MgO nanoparticles concentrations (0.125%, 0.25%, 0.5%, and 1%) by volume, and Water-MgO-CMC fluid generated at the same previous concentrations. When 24 L/min of water is injected with (360, 420, and 460) L/hr of air in the annular side, a two-phase flow recognizes three types of flow regimes: bubbly, slug flow, and stratified flow. The experimental work is done using a double-pipe heat exchanger with U-bend made out of two concentric pipes. The inner pipe is a copper pipe with inner and outer diameters of 20 and 22 mm, respectively, and the outer pipe is Perspex with inner and outer diameters of 45 and 50 mm, respectively. The experimental study also includes preparation of the nanofluid and the measurement of hot fluid properties. A CFD simulation is built based on the volume of fluid (VOF) model for multiphase flow using the commercial code ANSYS Fluent 2020 R1. This code is used to predict the temperature, pressure, velocity, and void fraction of two-phase flow along the U-bend double-pipe heat exchanger. This study is numerically accomplished by solving a set of partial differential equations, namely, the conservation of mass, momentum, and energy. These equations are linearized, discretized, and solved by a finite volume method to obtain a detailed solution, including the required parameters in the flow field, and validated with experimental data. The results indicate that the convection heat transfer coefficient (h) increases by increasing CMC particles weight concentrations, MgO particles volume concentrations, and hot fluid volume flow rate. The convection heat transfer coefficient for parallel flow enhances from (2532.4) at a minimum flow rate of 8 L/min to (2771.71) at a maximum flow rate of 14 L/min. Moreover, adding 1% MgO vol. and 0.5% CMC wt. increases the convection heat transfer coefficient from (5062.57) at a minimum flow rate of 8 L/min to (5545.24) at a maximum flow rate of 14 L/min. The friction factor increases with the increase of CMC particle weight concentration, MgO particle volume concentration, and decreases with increasing hot fluid volume flow rate. Depending on the two-phase flow effect, the convection coefficient increases about 8% when air flow rate increases, and the effectiveness of the heat exchanger increases about 9%. The overall heat transfer coefficient of a counter flow is 4–6% higher than that of a parallel flow with the addition of 1% MgO vol. and 0.5% CMC wt. to pure water. Finally, a comparison is carried out between the numerical and experimental results for Newtonian fluid (pure water) at flow rates 8, 10, 12, and 14 L/min. There is an excellent agreement between the numerical and experimental results (with a maximum deviation of 7% in Nusselt Number) of the present work along with quite good agreements in the trends and values of the results extracted from CFD simulation of the present work and those obtained by significant researchers.

روابط وملفات

التعريف والنوع

رقم الوثيقة

0858b937-f97a-472f-9c05-e056ecfb2e73

رقم العقد

0

نوع الوسائط

Crawler

نوع المحتوى

الرسائل العلمية

صيغة المصدر

رسائل دكتوراة

نوع الملف

pdf text

أسماء الملفات

994380_1.pdf

بيانات النشر

ترجمة العنوان

تحسين أداء مبادل حراري مزدوج الانبوب باستخدام مائع نانوي (ماء/MgO-CMC) مع جريان ثنائي الطور

ألقاب المؤلفين

[{"name_ar":"ضرغام الخفاجي","title_ar":"اشراف","title_en":"Supervision"},{"name_ar":"مصطفى محمد جابر رديد","title_ar":"اعداد","title_en":"Preparation"}]

اللغة

English

المصدر والدورية

اسم المصدر

Improving the Performance of a Double Pipe Heat Exchanger Using (MgO-CMC/Water) Nanofluid with a Two-phase Flow

المحتوى والصفحات

عدد الصفحات

0

ترجمة الملخص

يتم اختبار الموائع النانوية بتركيزات مختلفة من أكسيد المغنيسيوم (MgO) وكاربوكسي ميثيل السليلوز (CMC) في مبادل حراري مزدوج الانابيب والمصمم مع انحناء U ومثبت بصوره افقية لتحسين اداءه وحسب اتجاه الجريان المتوازي والمتعاكس تحت تأثير الجريان الأحادي والثنائي الطور. تمت الدراسة عند معدل تدفق حجمي (8، 10، 12 و14) لتر / دقيقة من الماء النقي، سائل (Water-CMC) بتراكيز وزنية من CMC (0.2٪ و0.5٪)، سائل (Water-MgO) بتراكيز حجمية من جزيئات MgO النانوية (0.125) ٪، 0.25٪، 0.5٪ و1٪) وسائل (Water-MgO-CMC) بنفس التركيزات السابقة.تعرض هذه الدراسة تأثير الجريان ثنائي الطور بأنظمة جريان مختلفة في الجانب الحلقي للمبادل الحراري على معدل انتقال الحرارة. تم تشخيص ثلاثة أنواع من أنظمة الجريان ، الجريان الفقاعي (bubbly flow) و الجريان الدفعي (slug flow) و الجريان الطباقي (stratified flow)، عند حقنها 24 لترًا / دقيقة من الماء مع (360 ، 420 ، 460) لتر / ساعة من الهواء في الجانب الحلقي.تم تنفيذ العمل التجريبي باستخدام مبادل حراري مزدوج الأنابيب مع انحناء U ، مصنوع من أنابيب متحدة المركز بطول 5 م. تم اختيار أنبوب نحاسي بقطر داخلي 20 ملم وقطر خارجي 22 ملم كأنبوب داخلي ، وأنبوب برسبيكس بقطر داخلي 45 ملم وقطر خارجي 50 ملم تم اختياره كأنبوب خارجي. تشمل الدراسة التجريبية أيضًا تحضير الموائع النانوية وقياس خصائص التوصيل الحراري للسوائل الساخنة واللزوجة والكثافة والحرارة النوعية.تم بناء دراسة المحاكاة بتقنية CFD بناءً على نموذج حجم السائل (VOF) للجريان متعدد الأطوار باستخدام الكود التجاري ANSYS Fluent 2020 R1. تم استخدام هذا الكود للتنبؤ بدرجة الحرارة والضغط والسرعة وجزء الفراغ من الجريان ثنائي الطور على طول المبادل الحراري للأنابيب المزدوجة على شكل حرف U. يتم تحقيق ذلك عدديًا من خلال حل مجموعة من المعادلات التفاضلية الجزئية، وهي الحفاظ على الكتلة والزخم والطاقة. هذه المعادلات خطية ومحددة ويتم حلها بطريقة الحجم المحدود في المحلل للحصول على حل مفصل، بما في ذلك الحدود المطلوبة في مجال الجريان، والتحقق من صحة البيانات التجريبية.أشارت النتائج إلى أن معامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري (h) قد زاد بزيادة التراكيز الوزنية لجسيمات CMC والتراكيز الحجمية لجسيمات MgO ومعدل جريان السائل الساخن الحجمي. يتحسن معامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري من (2532.4) عند 8 لتر / دقيقة إلى (2771.71) 14 لتر / دقيقة وبعد إضافة (1% MgO vol.+0.5% CMC wt.) ازداده من (5062.57) عند 8 لتر / دقيقة إلى (5545.24) 14 لتر / دقيقة. زاد معامل الاحتكاك مع زيادة التراكيز الوزنية لجسيمات CMC، والتراكيز الحجمية لجسيمات MgO، وينخفض مع زيادة معدل جريان السائل الساخن الحجمي.اعتمادًا على تأثير الجريان ثنائي الطور ومعدل الجريان الحجمي ، عندما يزداد معدل جريان الهواء الحجمي يؤدي الى زيادة معامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري حوالي 8٪. عندما زاد معدل جريان الهواء أدى لزيادة قيمة فعالية المبادل الحراري حوالي 9٪. معامل انتقال الحرارة الإجمالي للجريان المتعاكس أعلى بنسبة 4-6٪ من الجريان المتوازي عند إضافة (1% MgO vol.+0.5% CMC wt.) إلى الماء النقي.أخيرًا، تم إجراء مقارنة بين النتائج العددية والتجريبية للسائل النيوتوني (ماء نقي) بمعدل تدفق 8 و10 و12 و14 لتر/دقيقة. هناك اتفاق ممتاز بين النتائج العددية والتجريبية (بحد أقصى انحراف 7٪ في رقم نسلت) للعمل الحالي إلى جانب اتفاقيات جيدة جدًا في اتجاهات وقيم النتائج المستخرجة من محاكاة CFD للعمل الحالي مع ما حصل عليها باحثون مهمون.

كلمات الباحثين

Nanofluid, Magnesium oxide, Carboxymethyl cellulose, Double-pipe heat exchanger, Parallel flow, Counter flow, Single-phase flow, Two-phase flow, Heat transfer coefficient, Friction factor, CFD simulation, ANSYS Fluent, Volume of Fluid model, Thermal flow properties

إشراف وإعداد

الإشراف

ضرغام الخفاجي

الإعداد

مصطفى محمد جابر رديد

الاقتباسات الببليوغرافية