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Apr 09, 2023

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Informes científicos volumen 13,

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 407 (2023) Citar este artículo

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La mejora de la tasa de transferencia de calor dentro de los intercambiadores de calor de doble tubo es importante para las aplicaciones industriales. En el presente trabajo, se estudia exhaustivamente el uso de campos magnéticos no uniformes en la tasa de transferencia de calor del flujo de nanofluidos transmitidos dentro de intercambiadores de calor de doble tubería. La técnica computacional de CFD se utiliza para la visualización de la hidrodinámica de nanofluidos en existencia de la fuente magnética. También se presentan las influencias de la intensidad magnética y la velocidad del nanofluido en la transferencia de calor. Se utiliza un algoritmo simple para modelar el flujo de nanofluidos incompresibles con la adición de una fuente magnética. Los resultados presentados muestran que la fuente magnética intensifica la formación de la circulación en el espacio del tubo interior y, en consecuencia, se mejora la transferencia de calor en nuestro dominio. La comparación de diferentes geometrías de tubo revela que el tubo triangular es más eficiente para mejorar la transferencia de calor del flujo de nanofluidos. Nuestros resultados indican que la transferencia de calor en el tubo con forma triangular es mayor que en otras configuraciones y su rendimiento es un 15% superior al del tubo liso.

La gestión del proceso de transferencia de calor es importante para el desarrollo de sistemas y dispositivos industriales y de ingeniería recientes1,2. Son varias las técnicas y materiales para el aislamiento que se han utilizado y presentado en los últimos años. Aunque la reducción de la transferencia de calor es fácilmente accesible mediante el uso de aisladores, la mejora de la transferencia de calor no se puede lograr fácilmente debido a las limitaciones de los materiales. Mientras tanto, la mejora de la transferencia de calor es más necesaria en instrumentos y dispositivos industriales y de ingeniería, es decir, intercambiadores de calor y condensadores3,4. La importancia de una transferencia de calor eficiente ha motivado a los ingenieros e investigadores mecánicos a encontrar nuevas soluciones y materiales que aumenten la transferencia térmica en aplicaciones industriales5.

La aplicación de aletas es el enfoque más convencional que se utiliza ampliamente debido a su simplicidad y bajo costo. En esta metodología, el área de superficie de contacto de la fuente de calor con el exterior se incrementa agregando una aleta adyacente a una fuente de calor6,7. Aunque varios artículos investigaron esta técnica para la tasa de transferencia de calor, la eficiencia de la transferencia de calor a través de la aleta es limitada. Los efectos de forma también se consideran un método anticuado para mejorar la transferencia de calor8,9,10.

El principal revolucionario en la transferencia de calor se logra mediante la adición de nanopartículas al fluido base. De hecho, la existencia de partículas de Ferro dentro del fluido principal aumenta ampliamente debido a las características de Ferro de la mezcla de fluidos11. La adición de Ferro Nanopartículas mejora la capacidad calorífica y la conductividad térmica de la mezcla fluida y esto aumenta la eficiencia de transferencia de calor en intercambiadores de calor en aplicaciones reales12,13. Las investigaciones teóricas de la transferencia de calor de nanofluidos se han realizado ampliamente para obtener condiciones eficientes. En las últimas décadas, el avance en la dinámica de fluidos computacional permite a los académicos modelar y simular el modelado de nanotransferencia de calor en dispositivos industriales complejos y reales14,15. Estas investigaciones han presentado resultados significativos sobre el mecanismo de transferencia de calor del fluido base con nanopartículas de Ferro en diferentes procesos en fenómenos de fusión y ebullición. También investigaron materiales de cambio de fase PCM a través de métodos CFD con/sin nanopartículas16,17. Estas investigaciones han revelado varios aspectos del nanofluido en el uso industrial18.

La aplicación del campo magnético también aumenta considerablemente la transferencia de calor del ferrofluido debido a la fuerza ejercida sobre las partículas ferrosas de la corriente de nanofluido19,20. Este tipo de problema se divide principalmente en dos partes principales: campos magnéticos uniformes y no uniformes. Aunque la eficiencia del campo magnético uniforme es menos uniforme, la producción del campo magnético uniforme es una tarea casi desafiante y requiere suficiente espacio. Además, su coste es superior al del campo magnético no uniforme que se obtiene por la existencia del hilo con corriente AC/DC. Con la simplicidad y el menor costo de los campos magnéticos no uniformes en aplicaciones industriales, este tema es atractivo en la ciencia de la ingeniería térmica21,22. Las investigaciones experimentales de los campos magnéticos no uniformes se han presentado en investigaciones limitadas ya que la técnica de medición de la transferencia de calor en esta condición específica es una tarea difícil23,24,25,26. A diferencia de los campos magnéticos uniformes, la simulación de la fuente magnética no uniforme requiere una gran habilidad para la implementación del término fuente en las principales ecuaciones que rigen el proceso de modelado27,28,29,30. Hay investigaciones limitadas que reportaron la corriente de ferrofluido en la existencia del campo magnético no uniforme. En este estudio, la simulación de la corriente de agua con nanopartículas se investiga en la existencia del campo magnético no homogéneo como se muestra en la Fig. 1.

Modelos investigados.

Como se muestra en la Fig. 1, el ferrofluido se usa como refrigerante para la transferencia de calor desde la corriente de aire caliente que se mueve en el tubo exterior. En la corriente caliente, hay un cable que es la fuente del campo magnético para mejorar la transferencia de calor dentro del ferrofluido. Este estudio trata de visualizar los impactos de la fuente no uniforme de campo magnético en el rendimiento de transferencia de calor de los intercambiadores de calor de carcasa y tubos. Aunque este tipo de intercambiador de calor es el más conveniente y ha sido ampliamente investigado31,32,33,34,35, el desempeño de este tipo bajo el impacto del campo magnético no homogéneo no se discutió completamente.

En el presente trabajo, se realizan investigaciones exhaustivas para revelar la eficiencia de transferencia de calor del ferrofluido en presencia de la fuente magnética cerca de los intercambiadores de calor de carcasa y tubos. El enfoque computacional de CFD se utiliza para la simulación de las características hidrodinámicas y térmicas del ferrofluido en diferentes condiciones operativas. Se presentan las influencias de la fuente magnética y la velocidad del ferrofluido en la eficiencia de transferencia de calor. En este artículo también se investigan las diferentes geometrías de la cámara de aire. La variación de temperatura del ferrofluido a lo largo del tubo se demuestra y compara en varias condiciones.

La Figura 1 ilustra la vista esquemática del modelo seleccionado para nuestra investigación. Como se muestra en esta figura, el aire caliente se transfiere desde el dominio exterior (carcasa), mientras que el ferrofluido se mueve en contracorriente desde el tubo interior (d). Hay un cable dentro de la carcasa para producir un campo magnético para mejorar la transferencia de calor. En el presente trabajo se investigan diferentes formas de tubo. Para lograr resultados fiables, se eligen modelos tridimensionales de geometrías seleccionadas. La existencia de alambre genera el campo magnético no uniforme como se muestra en la Fig. 2. En la sección siguiente, se explicará en detalle la influencia de los campos magnéticos en la estructura del flujo.

Distribución de campo magnético no uniforme por hilo.

La Figura 3 demostró las cuadrículas aplicadas para los modelos seleccionados. La cuadrícula estructurada se produce en los modelos tridimensionales elegidos como se muestra en esta figura22,23,36. Los estudios de cuadrícula también se realizan examinando varios tamaños y resoluciones de cuadrícula y los resultados de la temperatura no dimensional se comparan en la Fig. 4. Los resultados presentados indican que la cuadrícula fina (54 × 54 × 220) es aceptable para futuras investigaciones.

Cuadrículas aplicadas (a) vista en 3D, (b) sección transversal.

Estudio de rejilla.

Dado que el fluido base para el nanofluido es el agua, resolver las ecuaciones RANS con ecuaciones de energía arrojaría resultados razonables34,35,36,37. Para la simulación del campo magnético, los componentes del campo magnético deben agregarse en el término fuente en las ecuaciones de cantidad de movimiento. Se supone que los impactos de los campos magnéticos en las propiedades de los nanofluidos son menores y que la fuerza de Lorentz no es sustancial en las ecuaciones de momento en comparación con la fuerza magnética debido a la conductividad eléctrica. Por lo tanto, las ecuaciones finales para nuestros modelos son las siguientes:

El término \({F}_{K}\left(x\right)={\mu }_{0}M\frac{\partial H}{\partial x}\) y \({F}_{ K}\left(y\right)={\mu }_{0}M\frac{\partial H}{\partial y}\) son componentes de la fuerza de Kelvin que indican la incidencia del gradiente magnético en el dominio elegido. son los componentes de la fuerza del cuerpo de Kelvin en las direcciones x e y, respectivamente. Hx, Hy son las componentes del campo magnético en las direcciones x e y y se determinan de la siguiente manera:

En la actualidad se utiliza el algoritmo SIMPLEC con el esquema numérico de ceñida de segundo orden38,39,40. Este algoritmo se usa normalmente en dinámica de fluidos computacional para resolver las mismas ecuaciones de Navier-Stokes. El algoritmo sigue los mismos pasos que el algoritmo SIMPLE con una pequeña variación en la manipulación de las ecuaciones de momento, lo que permite que las ecuaciones de corrección de velocidad SIMPLEC omitan términos que son menos significativos que los omitidos en SIMPLE. Además, el código de dinámica de fluidos computacional de volumen finito se utiliza para resolver las ecuaciones de gobierno y los hechos del código se aclaran completamente en los artículos anteriores.

La condición límite aplicada para el modelo elegido también se muestra en la Fig. 1. La velocidad de entrada del ferrofluido es equivalente al número de Reynolds = 80, 100 y 120. La velocidad de la corriente de aire es equivalente a Re = 1500. Las propiedades del ferrofluido , el aire y el gas se presentan en la Tabla 1. Las nanopartículas de Fe304 con una concentración del 4% se mezclan con el fluido base para la producción del ferrofluido.

La comparación de los resultados obtenidos con el trabajo experimental se conoce como validación y es un paso importante en el estudio computacional y las simulaciones. El análisis de transferencia de calor del agua pura (Re = 1620) en un solo tubo con flujo de calor constante se realiza y se presenta en la Fig. 5a. Nuestra comparación indica que nuestros resultados concuerdan bien con los de Kim et al.41. La comparación del modelo seleccionado en presencia de nanopartículas de TiO2 (24%) también se realiza con datos experimentales de He et al.42 (Fig. 5b). Se encuentra que la desviación de nuestros resultados con el estudio experimental es inferior al 7% y es un buen acuerdo.

Validación1.

La comparación de la línea de corriente del nanofluido sin campo magnético para los modelos seleccionados se presenta en la Fig. 6. Las circulaciones se producen en la existencia de la cavidad dentro del dominio. El tamaño de la circulación es pronunciado en el modelo con pared sinusoidal. La formación de estas circulaciones da como resultado separaciones que aumentan la transferencia de calor entre la pared y la corriente de nanofluidos.

Comparación de línea de corriente.

La influencia del campo magnético no uniforme en la estructura de la línea de corriente del nanofluido se demuestra en la Fig. 7. Como se observa en la figura, la circulación se divide en dos subcirculaciones que aumentarían la transferencia de calor. La influencia de la intensidad del campo magnético en la variación de la temperatura dentro del tubo liso se muestra en la Fig. 8. En este modelo, el número de Reynolds de la corriente de nanofluido y el aire son 80 y 1500, respectivamente. Se encuentra que el aumento de la intensidad magnética mejora la capa límite térmica en el centro del tubo. Además, el impacto de la línea de corriente es más pronunciado en la variación de temperatura en la sección transversal del tubo.

La corriente de flujo en la sección media del tubo en existencia del campo magnético.

Contorno de temperatura adimensional en la sección media del tubo (a) Mn = 0, (b) \(Mn=1,088\times {10}^{6}\), (c) \(Mn=2,22\times {10}^{6}\), (d) \(Mn=3,47\veces {10}^{6}\).

La comparación del número de Nusselt a lo largo de las geometrías seleccionadas bajo efectos de fuerza magnética no uniforme con diferentes intensidades se muestra en la Fig. 9. Se observa que la variación de la transferencia de calor es directamente proporcional con la forma y tamaño de la circulación en estos cavidades Además, la intensidad del campo magnético mejora la transferencia de calor dentro del tubo. La comparación del valor máximo y mínimo del número de Nusselt muestra que las formas sinusoidal y cuadrada tienen la mayor fluctuación en la transferencia de calor. También se observa que la aplicación de campo magnético con Mn = 3.47e6 aumenta la transferencia de calor local máxima hasta en un 30%.

Distribución del número de Nusselt a lo largo de (a) tubo simple, (b) sinusoidal, (c) triangular, (d) cuadrado en presencia de diferentes intensidades magnéticas.

La influencia del número de Reynolds de entrada en el número de Nusselt local se representa en la Fig. 10. Los resultados obtenidos muestran que la tasa de transferencia de calor se reduce con ciclos periódicos a lo largo del tubo. El valor máximo de transferencia de calor ocurre en la sección con el área más baja, mientras que el valor mínimo se observa en el área de la sección más alta. De hecho, esto se debe principalmente a la mayor velocidad del nanofluido en la sección con menor área de superficie. Los impactos de la velocidad de entrada se notan en el número máximo de Nusselt. Mientras tanto, en el número de Reynolds alto, la ubicación de la separación inicial se mueve aguas arriba.

Distribución del número de Nusselt a lo largo de (a) tubo simple, (b) sinusoidal, (c) triangular, (d) cuadrado en presencia de diferentes velocidades de entrada.

La influencia del campo magnético en la distribución de la velocidad en la sección media del tubo se demuestra en la Fig. 11 para Ren = 80 y Rei = 1500. El contorno logrado indica que la distribución de la velocidad se vuelve más uniforme y la velocidad del nanofluido cerca de la pared aumenta cuando la intensidad del campo magnético el campo es alto. Además, el valor de velocidad máxima en el centro del tubo se reduce en alta intensidad magnética.

Contorno de velocidad en la sección media del tubo (a) Mn = 0, (b) \(Mn=1,088\times {10}^{6}\), (c) \(Mn=2,22\times {10} ^{6}\), (d) \(Mn=3,47\veces {10}^{6}\).

La variación de temperatura del flujo de nanofluidos para diferentes intensidades magnéticas y formas de tubo se ilustra en la Fig. 12. La variación de temperatura indica que el impacto principal del campo magnético está en la temperatura cerca del centro del tubo. Además, el valor de la temperatura aumenta considerablemente al cambiar el tubo liso por el tubo deformado (tubos cuadrados, sinusoidales y triangulares). La variación del número de Nusselt a lo largo del tubo para diferentes geometrías sin campo magnético (Fig. 13) también confirma este hallazgo.

Distribución radial de la temperatura (a) simple, (b) sinusoidal, (c) triangular, (d) tubo cuadrado en presencia de diferentes campos magnéticos.

Comparación del número de Nusselt a lo largo del tubo sin campo magnético.

El rendimiento de transferencia de calor de las geometrías seleccionadas se compara en la Fig. 14. La variación del número de Nusselt promedio para estas configuraciones indica que el tubo triangular es más eficiente que otras configuraciones. El número promedio de Nusselt de este modelo es un 15% más que el tubo liso.

Evaluación del número de Nusselt promedio para diferentes tipos de paredes de tubos.

En el presente trabajo, se investiga a fondo la influencia del perfil del tubo en el rendimiento de la transferencia de calor del flujo de nanofluidos dentro del tubo interior con la existencia de un campo magnético no uniforme. Esta investigación trató de presentar el principal mecanismo de transferencia de calor mediante el análisis de la estructura de flujo y la distribución de la capa límite dentro del tubo. Para la simulación del flujo de nanofluidos, se utiliza una técnica computacional resolviendo ecuaciones RANS con un término fuente adicional asociado con el campo magnético del cable. Debido a la falta de uniformidad del campo magnético, la suma del término fuente se realiza en las direcciones x e y. Los efectos de la intensidad magnética y la velocidad de entrada en el número de Nusselt promedio y local se investigan a fondo. En este trabajo se investigan tres formas de pared de tubo (sinusoidal, cuadrada y triangular). Nuestra investigación muestra que la producción de circulación dentro de la cavidad del tubo juega un papel clave en la transferencia de calor local. La comparación de la forma del tubo indica que la eficiencia térmica del tubo con forma triangular es mayor que otras configuraciones y su rendimiento es 15 % más que tubo liso.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Departamento de Ingeniería Mecánica, Rama Bandar Anzali, Universidad Islámica Azad, Bandar Anzali, Irán

Y. Azizi, M. Bahramkhoo y A. Kazemi

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YA y MB escribieron el texto principal del manuscrito y AK preparó las figuras. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a M. Bahramkhoo.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Azizi, Y., Bahramkhoo, M. & Kazemi, A. Influencia del campo magnético no uniforme en las características hidrodinámicas de eficiencia térmica del nanofluido en el intercambiador de calor de doble tubería. Informe científico 13, 407 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26285-w

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Recibido: 16 Octubre 2022

Aceptado: 13 de diciembre de 2022

Publicado: 09 enero 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26285-w

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