评价石墨烯纳米片的热液压（Thermohydraulic）性能

最近发表在《Scientific Reports》上的一项研究侧重于共价和非共价功能化石墨烯纳米片作为纳米流体的热液压分析，该圆管装有45°和90°螺旋角的扭曲胶带插入物。

研究：Thermohydraulic analysis of covalent and noncovalent functionalized graphene nanoplatelets in circular tube fitted with turbulators. 图片来源：koya979/Shutterstock.com

热交换器是在冷却和加热过程中传递热量的热设备。纳米流体和湍流促进剂是传热改进方法，可提高传热效率，同时减少工作流体摩擦。双绞带插入是改善热交换器传热的最有效方法之一，因为它易于操作且成本低廉。

扭曲带插入：为什么它对热交换器很重要？

热交换器管中的热能传递效率使其成为传热系统的关键组成部分。热交换器的有效性取决于其最大化传热的能力。

结垢和结垢会损害热交换器管的热量传输能力，从而降低总热液压效率。已经开发了各种管道清洁方法来克服这个问题，而无需停止清洁管道的操作。双绞胶带插入系统就是这样一种方法。

双绞带插入是一种复杂的传热改进方法，由扭曲条、支架、轴、连接环和密封件组成。上述组件由化学稳定、坚固、有弹性和耐磨的聚合物和金属材料制成。

扭曲的胶带通过改变冷却液流动路线来改善热交换器管中的传热。扭曲的胶带的湍流刺激流体颗粒，并通过传导和对流引起传热。

石墨烯纳米片作为热交换器的纳米流体

由于纳米尺寸材料不寻常的化学和物理特性，纳米流体引起了研究人员的兴趣。许多纳米流体具有显着的导热性，使其适用于热交换器中的工作流体。

近年来，利用单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、氧化石墨烯和石墨烯纳米片（GNPs）等碳基纳米材料生产纳米流体的重要研究已经发表。

根据相关研究，石墨烯纳米片可以提供比其他纳米流体更好的热性能。这是因为石墨烯纳米片具有优异的导热性、机械强度和导电性。

石墨烯纳米片由于其有利的热物理特性也被认为是用于纳米流体的良好候选者。此外，制造石墨烯纳米片是一个简单而廉价的过程。

当前研究的主要目标

尽管对石墨烯纳米片在简单换热器中用作纳米流体进行了广泛的研究，但对共价和非共价官能化对纳米流体（如石墨烯纳米片）中流体动力循环的影响的关注有限。

本研究的主要目标是研究双功能石墨烯纳米片作为45°和90°螺旋角扭曲带内的纳米流体的热液压效率。在308K的温度下测定了石墨烯纳米片的热和物理特性。

在研究期间，考虑了三种质量比例（0.025重量%，0.05重量%和0.1重量%）的石墨烯纳米片。利用剪切应力传递（SST k-omega）湍流模型求解了石墨烯纳米片的热水力性能。

测试装置由一根长度为 900 毫米的普通管和液压直径为 20 毫米的管组成。将长20毫米，厚0.5毫米，轮廓30毫米的扭曲胶带插入管中。在330 K的稳定表面温度下加热螺旋管的外壁，以研究石墨烯纳米片的增热能力。

研究的重要发现

发现平均出口温度始终小于1，表明非共价和共价石墨烯纳米片的出口温度小于基础液的出口温度。用扭曲胶带放置的管子的出口温度高于简单管的出口温度。

本工作使用传热系数、温差、平均努塞尔数、摩擦系数和压降等各种指标评估了石墨烯纳米片的热水力性能。与共价石墨烯纳米片相比，非共价石墨烯纳米片作为工作纳米流体表现出更好的平均传热增强。

综上所述，本研究通过研究石墨烯纳米片等纳米流体的热液压效率，为研究石墨烯纳米片等纳米流体的正（传热）和负（摩擦压降）特性做出了重大贡献。

参考

Tao, H. et al. (2022). Thermohydraulic analysis of covalent and noncovalent functionalized graphene nanoplatelets in circular tube fitted with turbulators. Scientific Reports.

网址: https://www.nature.com/articles/s41598-022-22315-9