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May 21, 2023

L'application de non

Rapports scientifiques volume 13,

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8471 (2023) Citer cet article

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L'amélioration du transfert de chaleur à l'intérieur des échangeurs solaires est importante pour le développement de l'énergie solaire en zone urbaine. Dans cette étude, l'utilisation d'un champ magnétique non uniforme sur l'efficacité thermique du nanofluide (Fe3O4) circulant à l'intérieur du tuyau en U des échangeurs de chaleur solaires est examinée. La dynamique des fluides computationnelle est appliquée pour visualiser l'écoulement du nanofluide à l'intérieur de l'échangeur de chaleur solaire. Le rôle de l'intensité magnétique et du nombre de Reynolds sur l'efficacité thermique est entièrement étudié. L'effet des sources simples et triples du champ magnétique est également étudié dans nos recherches. Les résultats obtenus indiquent que l'utilisation du champ magnétique entraîne la production de vortex dans le fluide de base et le transfert de chaleur s'améliore à l'intérieur du domaine. Notre découverte indique que l'utilisation du champ magnétique avec Mn = 25 K améliorerait le transfert de chaleur moyen d'environ 21 % le long du tuyau en U des échangeurs de chaleur solaires.

L'avancement thermique des échangeurs de chaleur est essentiel pour économiser les environnements et les coûts. La performance des échangeurs de chaleur est cruciale dans différentes industries car ils sont largement utilisés dans les industries, c'est-à-dire les centrales électriques, les usines pétrochimiques et les raffineries de pétrole ainsi que les utilisateurs à domicile1,2,3. L'importance de ce dispositif pour la sauvegarde de l'environnement est évoquée dans des travaux antérieurs puisqu'il réduira les émissions de CO2 en brûlant du mazout pour la production d'énergie. D'autre part, un nouveau type de ressource énergétique comme l'énergie solaire devient économique lorsque les performances des échangeurs de chaleur sont suffisamment élevées4,5.

Le développement de nouvelles sources d'énergie est très important puisque la source d'énergie actuelle n'est pas durable pendant plus de deux siècles6,7. Par conséquent, les énergies renouvelables sont devenues le principal sujet des chercheurs en tant que meilleur substitut au pétrole brut8,9. De plus, la réduction de la pollution n'est pas atteinte par la source d'énergie classique puisque la production de CO2 est inévitable dans la combustion du pétrole brut10,11. Parmi les énergies renouvelables disponibles, l'énergie solaire a été considérée comme une source d'énergie fiable en raison de son accessibilité et de son faible coût, en particulier pour les utilisateurs à domicile12,13. Bien que les centrales solaires ne soient pas comparables à d'autres centrales électriques (c'est-à-dire nucléaires) pour la production d'énergie à grande échelle, cette source d'énergie pourrait être utilisée efficacement pour les petits utilisateurs qui vivent loin des zones urbaines14,15,16,17. Par conséquent, l'utilisation de systèmes solaires pour la production de sources d'énergie pour les particuliers a augmenté au cours des trois dernières années en augmentant le prix du pétrole18,19,20.

L'utilisation de nanoparticules a nettement amélioré l'efficacité des échangeurs de chaleur actuels21,22. En fait, les particules ferro améliorent considérablement la capacité thermique du fluide de base dans les échangeurs de chaleur et cela économise les performances des panneaux solaires pour fournir l'eau chaude nécessaire aux utilisateurs domestiques23,24,25. La capacité calorifique du nanofluide a des augmentations substantielles avec l'utilisation du champ magnétique. En effet, l'application de la source magnétique à proximité du tuyau avec le flux de nanofluide entraîne la perturbation dans le fluide, et une structure de vortex est produite dans le flux de nanofluide26,27. Par conséquent, le transfert de chaleur s'intensifie à l'intérieur des échangeurs de chaleur. Cette caractéristique de l'écoulement du nanofluide a été étudiée de manière approfondie dans un autre processus, à savoir l'ébullition et la fusion, car cela modifierait les propriétés thermiques du processus28,29,30. Bien que l'utilisation d'une source magnétique uniforme ou non uniforme à proximité du nanofluide avec des particules ferreuses ait été explorée dans les recherches actuelles, cet aspect de l'écoulement du nanofluide n'a pas été exploré de manière exhaustive dans différentes sections des échangeurs de chaleur31,32,33. Dans la plupart de ces études, une approche théorique est utilisée pour l'analyse thermique de l'écoulement du nanofluide34,35,36. La technique numérique de la dynamique des fluides computationnelle est également utilisée pour l'étude du transfert de chaleur des échangeurs de chaleur37,38. En raison du faible coût des investigations informatiques, cette technique est considérée comme la méthode initiale de pré-évaluation de nouvelles approches innovantes pour le développement de la recherche actuelle39,40. Bien que plusieurs recherches se soient concentrées sur le champ magnétique uniforme pour l'amélioration des échangeurs de chaleur, le champ magnétique non uniforme a été étudié dans des articles limités via la dynamique des fluides computationnelle41,42,43.

Dans cet article, le rôle d'un champ magnétique non uniforme sur l'amélioration thermique du flux de nanofluide le long d'un échangeur de chaleur à double tube en U (Fig. 1). Les caractéristiques d'écoulement et les propriétés thermiques de l'écoulement du nanofluide sont examinées et analysées par la dynamique des fluides computationnelle. La ligne de courant de l'écoulement de base avec des particules ferro dans un modèle bidimensionnel est entièrement explorée pour révéler les principaux facteurs d'écoulement qui améliorent les aspects thermiques du nanofluide. Les impacts du nombre de Reynolds et des intensités magnétiques du nanofluide sont également simulés sur l'hydrodynamique du flux de nanofluide. De plus, la variation du transfert de chaleur le long du tuyau en U est tracée dans différentes conditions.

Le schéma d'un tuyau en U en présence d'une (a) simple (b) triple source magnétique non uniforme.

Le nanofluide est le mélange de ferroparticules (3–15 nm) à l'intérieur du fluide de base qui est l'eau dans cette étude. La simulation du nanofluide se fait alors que le fluide de base est de l'eau incompressible avec les caractéristiques thermiques du ferrofluide. On suppose que le flux de nanofluide est stable, incompressible et laminaire44,45,46. Les principales équations gouvernantes du flux de nanofluide 2D avec l'hypothèse mentionnée sont les suivantes :

Il existe deux termes sources dans les équations de quantité de mouvement et ils sont associés au champ magnétique et connus sous le nom de force kelvin. Ces termes sources sont calculés via ces formules :

où la valeur de M est calculée via ces équations :

La valeur adimensionnelle pour l'évaluation de l'intensité magnétique est calculée via

Dans les articles publiés, tous les détails du champ magnétique non uniforme appliqué sur les principales équations gouvernantes du ferrofluide sont présentés et expliqués. Les caractéristiques thermiques du fluide de base, de l'air et de l'eau sont présentées dans le tableau 1.

La densité, la viscosité et la capacité calorifique du mélange (eau avec des particules ferro) sont calculées via

Pour comparer les caractéristiques hydro et thermiques du flux de nanofluide, les nombres de Reynolds et de Nusselt doivent être calculés comme suit :

Le modèle sélectionné d'un double tuyau en U avec le flux de nanofluide est affiché à la Fig. 1. Les sources du champ magnétique sont démontrées avec la distribution non uniforme. Un flux de chaleur uniforme (1000 W/m2K) est appliqué sur le mur comme illustré sur la figure. On suppose que le ferrofluide à température constante (300 K) et vitesse pénètre dans le tuyau. La taille du tuyau est d/D = 0,8.

Une étude maillée est également réalisée pour la simulation numérique du ferrofluide à l'intérieur de la conduite. La figure 2 illustre la grille produite pour le modèle de demi-tour choisi. La grille générée est entièrement structurée et la taille de la grille près du mur est inférieure à celle des autres régions en raison de l'interaction du champ magnétique sur le flux de nanofluide. Une analyse de l'indépendance de la grille est effectuée (tableau 2) pour atteindre les cellules de grille optimales pour la géométrie introduite. Les résultats de l'indépendance de la grille sont présentés à la Fig. 3. Comme indiqué dans le tableau, la taille des grilles est modifiée et ses effets sur la caractéristique thermique du tuyau unique sont comparés. Le modèle avec un numéro de grille de 9000 cellules (30 × 300) est choisi pour cette étude.

Grille.

Validation (a) φ = 0,24 (b) φ = 1,18.

La validation de notre méthode est effectuée pour un flux de nanofluide le long d'un seul tuyau et nos données sont comparées aux données expérimentales et informatiques46,47,48,49. Comme démontré sur la figure 3, le coefficient de transfert de chaleur du nanofluide avec deux fractions volumiques de nanoparticules à Re = 1500 est simulé et les résultats comparés ont confirmé que l'écart de notre résultat est inférieur à 8 %, ce qui est acceptable pour nos futures études50,51,52. Cette approche est utilisée dans différents problèmes scientifiques53,54,55,56,57,58.

La figure 4 illustre les impacts de la source magnétique sur la rationalisation du flux de nanofluide à l'intérieur du tuyau en U. Lorsque la source magnétique unique est appliquée au voisinage de la section médiane du demi-tour, un seul tourbillon est produit. La formation de ce vortex est le résultat principal de la force kelvin. Dans le cas de trois sources magnétiques, il y a trois tourbillons à l'intérieur du domaine. On constate que les premiers tourbillons (fil 3) sont plus gros que les autres. La principale raison de la production de tourbillons est la non-uniformité du champ magnétique. La manière dont la formation des tourbillons améliore le transfert de chaleur sera expliquée dans les sections suivantes.

Rationaliser le nanofluide en présence d'un champ magnétique (a) unique (b) triple non uniforme avec Mn = 165 000.

L'influence de ces tourbillons sur le transfert de chaleur le long du tuyau en U est illustrée à la Fig. 5. Dans cette figure, la fluctuation du nombre de Nusselt montre l'influence de la source magnétique sur le transfert de chaleur du tuyau en U dans différents nombres de Reynolds. À mesure que la vitesse de l'écoulement du nanofluide d'entrée augmente, les impacts de la source magnétique sur l'hydrodynamique de l'écoulement du nanofluide sont limités en raison de l'impulsion élevée du fluide. Ainsi, la taille du vortex est restreinte et, par conséquent, le taux de transfert de chaleur diminue comme le montre la figure 5. L'un des principaux aspects de ces vortex est le gradient de vitesse élevée à l'intérieur du domaine qui fait que le nanofluide reste plus longtemps. La figure 6 montre le transfert de chaleur le long du tuyau en U dans différents nombres de Reynolds sans champ magnétique.

Variation du transfert de chaleur le long du virage en U en présence d'une seule source de source magnétique à (a) Re = 50 (b) Re = 150.

Variation du transfert de chaleur le long du demi-tour sans source magnétique.

Les effets du champ magnétique sur la variation de température du flux de nanofluide sont représentés sur la figure 7. On observe que le changement de température se produit dans la région où le vortex est produit. La variation de la température n'est pas seulement liée aux tourbillons mais également associée aux changements de capacité calorifique du nanofluide sous des impacts de force magnétique non homogène. Le contour de température non dimensionnel démontre ces effets dans notre modèle. L'intensité du champ magnétique intensifie également la formation de forts tourbillons et par conséquent, le transfert de chaleur est amélioré.

Contour de température non dimensionnelle sous impacts de source magnétique non uniforme (a) Mn = 0, (b) Mn = 92 000 et (c) Mn = 258 000.

Une comparaison du transfert de chaleur pour la source magnétique non uniforme simple et triple est tracée à la Fig. 8. La formation du pic dans le tracé représente la formation des tourbillons sous l'impact du champ magnétique non uniforme. Le nombre de Nusselt maximal se produit près du fil 3 du cas de la source magnétique triple. La figure simplifiée confirme également qu'un grand vortex est produit dans cette zone. En fait, cela est dû à la forme du tuyau en U qui tend le flux à se déplacer dans la paroi du fond plutôt que dans la paroi intérieure. Ainsi, il y a moins de résistance à la perturbation du vortex.

Variation du nombre de Nusselt le long de la conduite pour champ magnétique simple et triple.

La figure 9 illustre le contour de température d'une source magnétique simple et triple ainsi qu'un modèle sans champ magnétique. La variation de température à proximité de la source du champ magnétique vérifie que l'existence du champ magnétique non uniforme améliore le transfert de chaleur sur la conduite en U. Lorsque le nombre de la source du champ magnétique augmente, une plus grande surface à l'intérieur du domaine est sous l'impact de la source magnétique.

Comparaison de la température non dimensionnelle sous les impacts de (a) simple et (b) triple source de champ magnétique non uniforme.

L'influence de l'intensité magnétique sur le nombre de Nusselt moyen le long du tuyau en U est présentée à la Fig. 10. La vitesse d'entrée est constante (Re = 50) et la source des champs magnétiques non uniformes est uniforme. La variation du nombre de Nusselt moyen avec les changements de la source magnétique est presque linéaire. Le nombre de Nusselt moyen augmente d'environ 21% lorsque la source magnétique d'une intensité magnétique de Mn = 258 000 est appliquée par une seule source. L'équation suivante est obtenue pour l'estimation du transfert de chaleur moyen le long du tuyau en U.

Effets de l'intensité magnétique d'un seul champ magnétique non uniforme sur le nombre de Nusselt moyen le long du tuyau en demi-tour.

L'influence d'un champ magnétique non uniforme sur le transfert de chaleur d'un nanofluide à travers un tuyau en U est explorée dans la présente étude. La technique CFD est utilisée pour modéliser les caractéristiques hydrodynamiques et thermiques du nanofluide avec des ferro-particules de Fe203 sous les impacts du champ magnétique simple et triple dans un tuyau en U. Le rôle de l'intensité magnétique et de la vitesse d'entrée du nanofluide sur l'hydrodynamique de l'écoulement du nanofluide. La production des tourbillons et son impact sur le transfert de chaleur du fluide de base sont largement expliqués. Le contour de température de diverses conditions de fluide est également présent dans l'étude actuelle. Les résultats obtenus montrent que l'application d'un champ magnétique unique non uniforme (Mn = 25,8 K) près de la section médiane du tuyau en U augmenterait le transfert de chaleur jusqu'à 21 %.

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

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Laboratoire clé de la technologie des équipements de récolte des cultures de la province du Zhejiang, Jinhua Polytechnic, Jinhua, Chine

Sida Li

Chongqing Water Conservancy & Electric Power Construction Survey & Design Research Institute Hangzhou Branch, Hangzhou, Chine

Liudan Mao

Département de génie civil, Collège d'ingénierie, Université Cihan-Erbil, Erbil, Irak

As'ad Alizadeh

Zhejiang Tongjing Technology Co. Ltd., Quzhou, Chine

Xin Zhang

Département de génie mécanique, Université technique et professionnelle (TVU), Téhéran, Iran

S. Valiallah Moussavi

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SVM et AA ont écrit le texte principal du manuscrit et SL et LM ont préparé des figures et SL et LM et XZ ont amélioré l'écriture et la conclusion en anglais. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance au chef Mao ou S. Valiallah Mousavi.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Li, S., Mao, L., Alizadeh, A. et al. L'application d'un champ magnétique non uniforme pour l'amélioration thermique du flux de nanofluide à l'intérieur du tuyau en U des capteurs solaires. Sci Rep 13, 8471 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35659-7

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Reçu : 22 mars 2023

Accepté : 22 mai 2023

Publié: 25 mai 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-35659-7

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