Experimental investigation of heat transfer characteristics of nanofluid using parallel flow, counter flow and shell and tube heat exhanger

• Autorzy: Dharmalingam R. , Sivagnanaprabhu K. K. , Yogaraja J. , Gunasekaran S. , Mohan R.

Identyfikatory

DOI

10.1515/meceng-2015-0028

Warianty tytułu

PL

Badanie eksperymentalne charakterystyk przewodzenia ciepła w nanopłynach w warunkach przepływu współprądowego i przeciwprądowego w płaszczowych i rurowych wymiennikach ciepła

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Cooling is indispensable for maintaining the desired performance and reliability over a very huge variety of products like electronic devices, computer, automobiles, high power laser system etc. Apart from the heat load amplification and heat fluxes caused by many industrial products, cooling is one of the major technical challenges encountered by the industries like manufacturing sectors, transportation, microelectronics, etc. Normally water, ethylene glycol and oil are being used as the fluid to carry away the heat in these devices. The development of nanofluid generally shows a better heat transfer characteristics than the water. This research work summarizes the experimental study of the forced convective heat transfer and flow characteristics of a nanofluid consisting of water and 1% Al₂O₃ (volume concentration) nanoparticle flowing in a parallel flow, counter flow and shell and tube heat exchanger under laminar flow conditions. The Al₂O₃ nanoparticles of about 50 nm diameter are used in this work. Three different mass flow rates have been selected and the experiments have been conducted and their results are reported. This result portrays that the overall heat transfer coefficient and dimensionless Nusselt number of nanofluid is slightly higher than that of the base liquid at same mass flow rate at same inlet temperature. From the experimental result it is clear that the overall heat transfer coefficient of the nanofluid increases with an increase in the mass flow rate. It shows that whenever mass flow rate increases, the overall heat transfer coefficient along with Nusselt number eventually increases irrespective of flow direction. It was also found that during the increase in mass flow rate LMTD value ultimately decreases irrespective of flow direction. However, shell and tube heat exchanger provides better heat transfer characteristics than parallel and counter flow heat exchanger due to multi pass flow of nanofluid. The overall heat transfer coefficient, Nusselt number and logarithmic mean temperature difference of the water and Al₂O₃ /water nanofluid are also studied and the results are plotted graphically.

PL

Chłodzenie jest niezbędne dla właściwego funkcjonowania i niezawodności różnorodnych produktów, jak urządzenia elektroniczne, komputery, samochody, systemy laserowe wielkiej mocy, itp. W sytuacji wzrostu obciążenia cieplnego i strumieni ciepła wytwarzanych przez urządzenia przemysłowe, chłodzenie jest jednym z najważniejszych wyzwań występujących w różnych gałęziach przemysłu, transporcie, mikroelektronice, itp. Płynami, które zwykle są używane do odprowadzania ciepła z tych urządzeń są woda, glikol etylenowy i oleje. Nanopłyny, opracowane w ostatnim czasie, wykazują generalnie lepsze charakterystyki przewodnictwa cieplnego niż woda. Przedstawiona praca stanowi podsumowanie badań doświadczalnych nad wymuszonym, konwekcyjnym odprowadzaniem ciepła i charakterystykami przepływu nanopłynu składającego się z wody i cząsteczek Al₂O₃ (w 1% stężeniu objętościowym) w warunkach laminarnego przepływu współprądowego i przeciwprądowego w płaszczowych i rurowych wymiennikach ciepła. W przedstawionych badaniach użyto cząstek Al₂O₃ o średnicy ok. 50 nm. Wybrano trzy różne prędkości przepływu masy, opisano wyniki eksperymentów. Wyniki te wskazują, że całkowity współczynnik odprowadzania ciepła i bezwymiarowa liczba Nusselta nanopłynu są, przy tej samej prędkości przepływu masy i temperaturze na wlocie, nieznacznie wyższe, niż dla samego płynu bazowego. Z wyników doświadczalnych wynika, że całkowity współczynnik odprowadzania ciepła wzrasta wraz z prędkością przepływu masy. Pokazano, że gdy wzrasta prędkość przepływu masy, całkowity współczynnik odprowadzania ciepła wraz z bezwymiarową liczbą Nusselta ostatecznie wzrastają, niezależnie od kierunku przepływu. Stwierdzono także, że ze wzrostem prędkości przepływu masy wartość LMTD (średniej logarytmicznej różnicy temperatur) ostatecznie maleje, niezależnie od kierunku przepływu. Niemniej, płaszczowe i rurowe wymienniki ciepła zapewniają lepsze charakterystyki odprowadzania ciepła niż wymienniki z przepływem współprądowym i przeciwprądowym, co wynika z wielostrumieniowego przepływu nanopłynu. Badano także całkowity współczynnik odprowadzania ciepła, bezwymiarową liczbę Nusselta i średnią logarytmiczną różnicę temperatur dla wody i nanopłynu złożonego z wody i Al₂O₃, a wyniki przedstawiono w formie graficznej.

Słowa kluczowe

EN

logarithmic mean temperature difference; heat exchanger; Nusselt number; nanofluids; overall heat transfer coefficient

PL

średnia logarytmiczna różnica temperatur; wymiennik ciepła; liczba Nusselta; nanopłyny; współczynnik przenikania ciepła

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. LXII, nr 4
• Strony: 509--522
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., fot., rys., tab.

Twórcy

autor

Dharmalingam R.

• Department of Mechanical Engineering, SNS College of Technology, Coimbatore, India

autor

Sivagnanaprabhu K. K.

• Department of Mechanical Engineering, RMK Engineering College, Chennai, India

autor

Yogaraja J.

• Department of Mechanical Engineering, SNS College of Technology, Coimbatore, India

autor

Gunasekaran S.

• Department of Mechanical Engineering, SNS College of Technology, Coimbatore, India

autor

Mohan R.

• Robert Bosch Engineering & Business solutions pvt ltd

Bibliografia

• [1] Yang J., Chan K., Wu X.: Energy savings with energy-efficient HVAC systems in commercial buildings of Hong Kong. International Conference for Enhanced Building Operations, 2006, Vol. 7-5-2.
• [2] Das S.K., Choi S.U.S., Yu W., Pradeep T.: Nanofluids – science and technology. John Wiley&Sons, 2008.
• [3] Maxwell J.C.: Treatise on electricity and magnetism. Oxford: Clarendon Press:1873.
• [4] Choi S.U.S., Eastman J.A.: Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles, in developments and applications of Non-Newtonian flows. ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition, 1995, Vol. 66, pp. 99-103.
• [5] Godson L., Raja B., Mohan Lal D., Wongwises S.: Enhancement of heat transfer using nanofluids-An overview. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010, Vol. 14, No. 2, pp. 629-641.
• [6] Eapen J., Rusconi R., Piazza R., Yip S.: The classical nature of thermal conduction in nanofluids. Journal of heat transfer, 2010, Vol. 132, No. 10, pp. 102402-15.
• [7] Das S.K., Putra N., Thiesen P., Roetzel W.: Temperature dependence of thermal conductivity enhancement for nanofluids. Journal of heat transfer, 2003, Vol. 125, No. 4, pp. 567-574.
• [8] Jang S.P., Choi S.U.S.: Effects of various parameters on nanofluid thermal conductivity. Journal of heat transfer, 2007, Vol. 129, No. 5, pp. 617-623.
• [9] Godson L., Deepak K., Enoch C., Jefferson B., Raja B.: Heat transfer characteristics of silver/water nanofluids in a shell and tube heat exchanger.Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2014, Vol. 14, No. 3, pp. 489-496.
• [10] Drew D.A., Passman S.L.: Theory of multi component fluids, Springer Berlin, 1999.
• [11] Xuan.Y, Roetzel.W.: Conceptions for heat transfer correlation of nanofluids, International Journal of heat and mass transfer, 2000, Vol. 43, No. 19, pp. 3701-3707.
• [12] Pak B.C, Cho I.Y.: Hydrodynamic and heat transfer study of dispersed fluids with sub-micron metallic oxide particles. Experimental heat transfer, 1998, Vol. 11, No. 2, pp. 151-170.
• [13] Lee S., Choi S.U.S., Li S., Eastman, J.A.: Measuring thermal conduct conductivity of fluids containing oxide nanoparticles. Journal of Heat transfer, 1999, Vol. 121, No. 2, pp. 280-289.
• [14] Attia H.A.: Heimenz flow through a porous medium of a Non-Newtonian Rivlin-Ericksen fluid with heat transfer. Tamkang Journal of Science and Engineering, 2009, Vol. 12, No. 3, pp. 359-364.
• [15] Kandasamy R., Muhaimin I., Azme B.K., Rozaini bin Roslan.: Unsteady Hiemenz flow of Cu-nanofluid over a porous wedge in the presence of thermal stratification due to solar energy radiation: Lie group transformation. International Journal of Thermal Sciences, 2012, Vol. 65, pp. 196-205.
• [16] Pantzalia M.N, Mouza A.A, Paras S.V.: Investigating the efficiency of nanofluid as coolants in plate heat exchangers (PHE). Chemical Engineering Science, 2009, Vol. 64, No. 14, pp. 3290-3300.
• [17] Mare T., Halelfadl S., Sow O., Estelle P., Duret S., Bazantay F.: Comparison of the thermal performances of two nanofluids at low temperature in a plate heat exchanger. Experimental Thermal and Fluid Science, 2011, Vol. 35, No. 8, pp. 1535-1543.
• [18] Kwon Y.H., Kim D., Li C.G., Lee J.K., Hong D.S., Lee J.G., Lee S.H., Cho Y.H., Kim S.H.: Heat transfer and pressure drop characteristics of nanofluids in a plate heat exchanger. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2011,Vol. 11, No. 7, pp. 5769-5774.
• [19] Chun B.H., Kang H.U., Kim S.H.: Effect of Alumina nanoparticles in the fluid on heat transfer in double-pipe heat exchanger system. Korean Journal of Chemical Engineering, 2008, Vol. 25, No. 5, pp. 966-971.
• [20] Rea U., Mckrell T., Lin-wen Hu, Buongiorno J.; Laminar convective heat transfer and viscous pressure loss of alumina-water and zirconia-water nanofluids. International Journal of Heat Mass Transfer, 2009, Vol. 52, No. 7, pp. 2042-2048.
• [21] Ding Y., Alias H., Wen D., Williams R.A.: Heat Transfer of aqueous suspensions of carbon nanotubes (CNT nanofluids). International Journal of Heat Mass Transfer, 2006, Vol. 49, No. 1, pp. 240-250.
• [22] Ghozatloo A., Rashidi A., Mojtabashariaty-Niassar.: Convective heat transfer enhancement of grapheme nanofluids in shell and tube heat exchanger, Experimental Thermal and Fluid Science, 2014, Vol. 53, pp. 136-141.
• [23] Khedkar R.S., Sonawane S.S., Wasewar K.L.: Water to nanofluids heat exchanger in concentric tube heat exchanger: Experimental study, Procedia Engineering, 2013, Vol. 51, No. 1, pp. 318-323.
• [24] Pak B.C., Cho I.Y.: Hydrodynamic and heat transfer study of dispersed fluids with sub-micron metallic oxide particles, Experimental heat transfer, 1998, Vol. 11, No. 2, pp. 151-170.