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Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 407 (2023) Citer cet article

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L'amélioration du taux de transfert de chaleur à l'intérieur des échangeurs de chaleur à double tube est significative pour les applications industrielles. Dans le présent travail, l'utilisation du champ magnétique non uniforme sur le taux de transfert de chaleur du flux de nanofluide diffusé à l'intérieur des échangeurs de chaleur à double tuyau est étudiée de manière approfondie. La technique de calcul de CFD est utilisée pour la visualisation de l'hydrodynamique du nanofluide en présence de la source magnétique. Les influences de l'intensité magnétique et de la vitesse du nanofluide sur le transfert de chaleur sont également présentées. Un algorithme simple est utilisé pour la modélisation de l'écoulement de nanofluide incompressible avec ajout de source magnétique. Les résultats présentés montrent que la source magnétique intensifie la formation de la circulation dans l'espace de la chambre à air et par conséquent, le transfert de chaleur est amélioré dans notre domaine. La comparaison de différentes géométries de tube révèle que le tube triangulaire est plus efficace pour l'amélioration du transfert de chaleur du flux de nanofluide. Nos résultats indiquent que le transfert de chaleur dans le tube de forme triangulaire est supérieur à celui des autres configurations et que ses performances sont supérieures de 15 % à celles du tube lisse.

La gestion du processus de transfert de chaleur est importante pour le développement de systèmes et dispositifs d'ingénierie et industriels récents1,2. Il existe plusieurs techniques et matériaux d'isolement qui ont été utilisés et présentés ces dernières années. Bien que la réduction du transfert de chaleur soit facilement accessible en utilisant des isolateurs, l'amélioration du transfert de chaleur n'est pas facilement réalisable en raison des limitations des matériaux. Pendant ce temps, l'amélioration du transfert de chaleur est plus nécessaire dans les instruments et dispositifs industriels et d'ingénierie, c'est-à-dire les échangeurs de chaleur et les condenseurs3,4. L'importance d'un transfert de chaleur efficace a motivé les ingénieurs en mécanique et les chercheurs à trouver de nouvelles solutions et de nouveaux matériaux qui augmentent le transfert thermique dans les applications industrielles5.

L'application de l'aileron est l'approche la plus conventionnelle qui est largement utilisée en raison de sa simplicité et de son faible coût. Dans cette méthodologie, la surface de contact de la source de chaleur avec l'extérieur est augmentée en ajoutant une ailette adjacente à une source de chaleur6,7. Bien que plusieurs articles aient étudié cette technique pour le taux de transfert de chaleur, l'efficacité du transfert de chaleur via des ailettes est limitée. Les effets de forme sont également considérés comme une méthode à l'ancienne pour l'amélioration du transfert de chaleur8,9,10.

La principale révolution en matière de transfert de chaleur est obtenue par l'ajout de nanoparticules au fluide de base. En fait, l'existence des particules Ferro à l'intérieur du fluide principal augmente considérablement en raison des caractéristiques Ferro du mélange fluide11. L'ajout de Ferro Nano-particules améliore la capacité thermique et la conductivité thermique du mélange de fluides, ce qui augmente l'efficacité du transfert de chaleur dans les échangeurs de chaleur dans les applications réelles12,13. Des études théoriques sur le transfert de chaleur des nanofluides ont été largement menées pour obtenir des conditions efficaces. Au cours des dernières décennies, les progrès de la dynamique des fluides computationnelle ont permis aux chercheurs de modéliser et de simuler la modélisation du transfert de chaleur nano dans des dispositifs industriels complexes et réels14,15. Ces recherches ont présenté des résultats significatifs sur le mécanisme de transfert de chaleur du fluide de base avec des nanoparticules de ferro dans différents processus dans les phénomènes de fusion et d'ébullition. Ils ont également étudié les matériaux à changement de phase PCM via des méthodes CFD avec/sans nanoparticules16,17. Ces investigations ont révélé divers aspects du nanofluide en usage industriel18.

L'application du champ magnétique augmente également considérablement le transfert de chaleur du ferrofluide en raison de la force exercée sur les particules ferro du flux de nanofluide19,20. Ce type de problème est principalement divisé en deux parties principales : les champs magnétiques uniformes et non uniformes. Bien que l'efficacité du champ magnétique uniforme soit plus non uniforme, la production du champ magnétique uniforme est une tâche presque difficile et nécessite suffisamment d'espace. De plus, son coût est supérieur au champ magnétique non uniforme qui est obtenu via l'existence du fil à courant alternatif/continu. Avec la simplicité et le moindre coût des champs magnétiques non uniformes dans les applications industrielles, ce sujet est attrayant en science de l'ingénierie thermique21,22. Les investigations expérimentales des champs magnétiques non uniformes ont été présentées dans des recherches limitées puisque la technique de mesure du transfert de chaleur dans cette condition spécifique est une tâche difficile23,24,25,26. Contrairement à un champ magnétique uniforme, la simulation de la source magnétique non uniforme nécessite une grande compétence pour la mise en œuvre du terme source dans les principales équations gouvernantes du processus de modélisation27,28,29,30. Il existe des enquêtes limitées qui ont rapporté le flux de ferrofluide dans l'existence du champ magnétique non uniforme. Dans cette étude, la simulation du flux d'eau avec des nanoparticules est étudiée dans l'existence du champ magnétique non homogène tel qu'illustré à la Fig. 1.

Modèles étudiés.

Comme le montre la figure 1, le ferrofluide est utilisé comme liquide de refroidissement pour le transfert de chaleur du flux d'air chaud se déplaçant dans le tube extérieur. Dans le flux chaud, il y a un fil qui est la source du champ magnétique pour l'amélioration du transfert de chaleur à l'intérieur du ferrofluide. Cette étude tente de visualiser les impacts de la source non uniforme de champ magnétique sur les performances de transfert de chaleur des échangeurs de chaleur à coque et à tube. Bien que ce type d'échangeur de chaleur soit le plus pratique et ait été largement étudié31,32,33,34,35, les performances de ce type sous l'impact du champ magnétique non homogène n'ont pas été entièrement discutées.

Dans le présent travail, des recherches approfondies sont effectuées pour divulguer l'efficacité du transfert de chaleur du ferrofluide en présence de la source magnétique à proximité des échangeurs de chaleur à coque et à tube. L'approche informatique de CFD est utilisée pour la simulation des caractéristiques hydrodynamiques et thermiques du ferrofluide dans différentes conditions de fonctionnement. Les influences de la source magnétique et de la vitesse du ferrofluide sur l'efficacité du transfert de chaleur sont présentées. Les différentes géométries de la chambre à air sont également étudiées dans cet article. La variation de température du ferrofluide le long du tube est démontrée et comparée dans diverses conditions.

La figure 1 illustre la vue schématique du modèle sélectionné pour notre enquête. Comme présenté sur cette figure, l'air chaud est transféré du domaine externe (coquille) tandis que le ferrofluide est déplacé à contre-courant du tube interne (d). Il y a un fil à l'intérieur de la coque pour produire un champ magnétique pour améliorer le transfert de chaleur. Différentes formes de tube sont étudiées dans le présent travail. Pour obtenir des résultats fiables, des modèles 3D de géométries sélectionnées sont choisis. L'existence d'un fil génère le champ magnétique non uniforme tel qu'illustré à la Fig. 2. Dans la section suivante, l'influence des champs magnétiques sur la structure de l'écoulement serait expliquée en détail.

Répartition du champ magnétique non uniforme par fil.

La figure 3 a démontré les grilles appliquées pour les modèles sélectionnés. La grille structurée est produite dans les modèles 3D choisis, comme illustré dans cette figure22,23,36. Des études de grille sont également effectuées en examinant différentes tailles et résolutions de grille et les résultats de la température non dimensionnelle sont comparés à la Fig. 4. Les résultats présentés indiquent que la grille fine (54 × 54 × 220) est acceptable pour les futures enquêtes.

Grilles appliquées (a) vue 3D, (b) coupe transversale.

Étude de grille.

Étant donné que le fluide de base du nanofluide est l'eau, la résolution des équations RANS avec des équations d'énergie donnerait des résultats raisonnables34,35,36,37. Pour la simulation du champ magnétique, les composantes du champ magnétique doivent être ajoutées dans le terme source des équations de quantité de mouvement. On suppose que les impacts des champs magnétiques sur les propriétés du nanofluide sont mineurs, et la force de Lorentz n'est pas substantielle dans les équations de quantité de mouvement en comparaison avec la force magnétique en raison de la conductivité électrique. Par conséquent, les équations ultimes de nos modèles sont les suivantes :

Le terme \({F}_{K}\left(x\right)={\mu }_{0}M\frac{\partial H}{\partial x}\) et \({F}_{ K}\left(y\right)={\mu }_{0}M\frac{\partial H}{\partial y}\) sont des composantes de la force Kelvin signifient l'incidence du gradient magnétique dans le domaine choisi. sont les composantes de la force corporelle Kelvin dans les directions x et y, respectivement. Hx, Hy sont les composantes du champ magnétique dans les directions x et y sont déterminées comme suit :

Actuellement, l'algorithme SIMPLEC est utilisé avec le schéma numérique upwind du second ordre38,39,40. Cet algorithme est normalement utilisé en dynamique des fluides computationnelle pour résoudre les équations de Navier – Stokes. L'algorithme suit les mêmes étapes que l'algorithme SIMPLE avec une petite variation dans la manipulation des équations d'impulsion, ce qui permet aux équations de correction de vitesse SIMPLEC d'omettre des termes moins significatifs que ceux omis dans SIMPLE. De plus, le code dynamique des fluides computationnel à volume fini est utilisé pour résoudre les équations gouvernantes et les faits du code sont complètement clarifiés dans les articles précédents.

La condition aux limites appliquée pour le modèle choisi est également affichée sur la Fig. 1. La vitesse d'entrée du ferrofluide est équivalente au nombre de Reynolds = 80, 100 et 120. La vitesse du courant d'air est équivalente au Re = 1500. Les propriétés du ferrofluide , l'air et le gaz sont présentés dans le tableau 1. Des nanoparticules de Fe304 à une concentration de 4% sont mélangées avec un fluide de base pour la production du ferrofluide.

La comparaison des résultats obtenus avec le travail expérimental est connue sous le nom de validation et constitue une étape importante dans l'étude informatique et les simulations. L'analyse du transfert de chaleur de l'eau pure (Re = 1620) dans un seul tube à flux de chaleur constant est effectuée et présentée à la Fig. 5a. Notre comparaison indique que nos résultats concordent bien avec ceux de Kim et al.41. La comparaison du modèle sélectionné en présence de nanoparticules de TiO2 (24%) est également effectuée avec les données expérimentales de He et al.42 (Fig. 5b). On constate que l'écart de nos résultats avec l'étude expérimentale est inférieur à 7% et il est en bon accord.

Validation1.

La comparaison de la ligne de courant nanofluide sans champ magnétique pour les modèles sélectionnés est présentée sur la figure 6. Les circulations sont produites en présence de la cavité à l'intérieur du domaine. La taille de la circulation est prononcée dans le modèle à paroi sinusoïdale. La formation de ces circulations entraîne des séparations qui augmentent le transfert de chaleur entre la paroi et le flux de nanofluide.

Comparaison de rationaliser.

L'influence du champ magnétique non uniforme sur la structure de la ligne de courant du nanofluide est démontrée sur la figure 7. Comme on le voit sur la figure, la circulation est divisée en deux sous-circulations qui augmenteraient le transfert de chaleur. L'influence de l'intensité du champ magnétique sur la variation de la température à l'intérieur du tube lisse est illustrée à la Fig. 8. Dans ce modèle, le nombre de Reynolds du flux de nanofluide et de l'air est de 80 et 1500, respectivement. On constate que l'augmentation de l'intensité magnétique améliore la couche limite thermique au centre du tube. Par ailleurs, l'impact de la ligne de courant est plus prononcé sur la variation de température sur la section du tube.

Le flux d'écoulement dans la section médiane du tube en présence du champ magnétique.

Contour de température non dimensionnelle dans la section médiane du tube (a) Mn = 0, (b) \(Mn=1.088\times {10}^{6}\), (c) \(Mn=2.22\times {10}^{6}\), (d) \(Mn=3,47\fois {10}^{6}\).

La comparaison du nombre de Nusselt le long des géométries sélectionnées sous les effets d'une force magnétique non uniforme avec différentes intensités est affichée à la Fig. 9. On observe que la variation du transfert de chaleur est directement proportionnelle à la forme et à la taille de la circulation dans ces caries. De plus, l'intensité du champ magnétique améliore le transfert de chaleur à l'intérieur du tube. La comparaison de la valeur maximale et minimale du nombre de Nusselt montre que les formes sinusoïdales et carrées ont la fluctuation la plus élevée dans le transfert de chaleur. On observe également que l'application d'un champ magnétique avec Mn = 3,47e6 augmente le transfert de chaleur local maximal jusqu'à 30 %.

Distribution du nombre de Nusselt le long d'un tube (a) simple, (b) sinusoïdal, (c) triangulaire, (d) carré en présence de différentes intensités magnétiques.

L'influence du nombre de Reynolds d'entrée sur le nombre de Nusselt local est tracée à la Fig. 10. Les résultats obtenus montrent que le taux de transfert de chaleur est réduit avec des cycles périodiques le long du tube. La valeur maximale de transfert de chaleur se produit dans la section avec la zone inférieure tandis que la valeur minimale est remarquée dans la zone de section supérieure. En fait, cela est principalement dû à la vitesse plus élevée du nanofluide dans la section avec une surface plus faible. Les impacts de la vitesse d'entrée sont perceptibles dans le nombre de Nusselt maximal. Pendant ce temps, dans le nombre de Reynolds élevé, l'emplacement de la séparation initiale se déplace vers l'amont.

Distribution du nombre de Nusselt le long d'un tube (a) simple, (b) sinusoïdal, (c) triangulaire, (d) carré en présence de différentes vitesses d'entrée.

L'influence du champ magnétique sur la distribution de la vitesse dans la section médiane du tube est démontrée à la Fig. 11 pour Ren = 80 et Rei = 1500. Le contour obtenu indique que la distribution de la vitesse devient plus uniforme et que la vitesse du nanofluide près de la paroi augmente lorsque l'intensité du champ magnétique champ est élevé. En outre, la valeur de vitesse maximale au centre du tube est diminuée à haute intensité magnétique.

Contour de vitesse dans la section médiane du tube (a) Mn = 0, (b) \(Mn=1,088\times {10}^{6}\), (c) \(Mn=2,22\times {10} ^{6}\), (d) \(Mn=3,47\fois {10}^{6}\).

La variation de température du flux de nanofluide pour différentes intensités magnétiques et formes de tube est illustrée à la Fig. 12. La variation de température indique que l'impact principal du champ magnétique est sur la température près du centre du tube. De plus, la valeur de la température est considérablement augmentée en remplaçant le tube lisse par un tube déformé (tubes carrés, sinusoïdaux et triangulaires). La variation du nombre de Nusselt le long du tube pour différentes géométries sans champ magnétique (Fig. 13) confirme également ce résultat.

Distribution radiale de la température (a) simple, (b) sinusoïdale, (c) triangulaire, (d) tube carré en présence de différents champs magnétiques.

Comparaison du nombre de Nusselt le long du tube sans champ magnétique.

Les performances de transfert de chaleur des géométries sélectionnées sont comparées à la Fig. 14. La variation du nombre de Nusselt moyen pour ces configurations indique que le tube triangulaire est plus efficace que les autres configurations. Le nombre moyen de Nusselt de ce modèle est supérieur de 15 % à celui du tube lisse.

Évaluation du nombre moyen de Nusselt pour différents types de parois de tubes.

Dans le présent travail, l'influence du profil du tube sur les performances de transfert de chaleur du flux de nanofluide à l'intérieur du tube interne avec l'existence d'un champ magnétique non uniforme est entièrement étudiée. Cette recherche a tenté de présenter le mécanisme principal du transfert de chaleur par l'analyse de la structure de l'écoulement et de la distribution de la couche limite à l'intérieur du tube. Pour la simulation de l'écoulement du nanofluide, une technique de calcul est utilisée en résolvant les équations RANS avec un terme source supplémentaire associé au champ magnétique du fil. En raison de la non-uniformité du champ magnétique, l'ajout du terme source se fait à la fois dans les directions x et y. Les effets de l'intensité magnétique et de la vitesse d'entrée sur le nombre de Nusselt moyen et local sont entièrement étudiés. Trois formes de paroi de tube (sinusoïdale, carrée et triangulaire) sont étudiées dans ce travail. Notre enquête montre que la production de la circulation à l'intérieur de la cavité du tube joue un rôle clé sur le transfert de chaleur local, la comparaison de la forme du tube indique que l'efficacité thermique du tube de forme triangulaire est supérieure à celle des autres configurations et sa performance est de 15 % de plus que le tube lisse.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

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Département de génie mécanique, branche de Bandar Anzali, Université islamique d'Azad, Bandar Anzali, Iran

Y. Azizi, M. Bahramkhoo & A. Kazemi

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YA et MB ont écrit le texte principal du manuscrit et AK a préparé les figures. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à M. Bahramkhoo.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Azizi, Y., Bahramkhoo, M. & Kazemi, A. Influence du champ magnétique non uniforme sur les caractéristiques hydrodynamiques d'efficacité thermique du nanofluide dans un échangeur de chaleur à double tuyau. Sci Rep 13, 407 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26285-w

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Reçu : 16 octobre 2022

Accepté : 13 décembre 2022

Publié: 09 janvier 2023

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

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