Heat transfer performance of double pipe heat exchanger using Al₂O₃/water and TiO₂/water nanofluids

Abstract

Modern ısı aktarımı bilimi, en iyi sonuçları elde etmek adına ısı aktarım metotlarını geliştirerek daha küçük ve daha etkili cihazları kullanmayı maksat edinmektedir. Çift borulu ısı eşanjörü (DPHE), muhtelif endüstriyel alanlarda kullanılan en önemli ısı eşanjörlerinden biri olarak ele alınmaktadır. Bu türdeki ısı eşanjörlerinin verimliliğini artırmak amacıyla birçok araştırmacı farklı ısı aktarım tekniklerini önermiş bulunmaktadır. Bu tekniklerden biri de; ana akışkanı, daha iyi bir ısı spesifikasyonlarına sahip olan nanoakışkanlar olarak adlandırılan başka bir tür akışkan ile değiştirmektir. Bu çalışmanın esas amacı, türbülanslı akım altında yatay ters akışlı çift borulu ısı eşanjörünün performansındaki bir ana akışkanı olarak deiyonize suya Al₂O₃ ve TiO₂ nanopartiküllerinin etkisinin deneysel olarak araştırılmasıdır. Test donanımı, bir sıcak sıvı kavisinden, soğuk su kavisinden ve 0.8 uzunluklu çift borulu ısı eşanjörünün test kısmından meydana gelmektedir. İç boru, 16 mm çaplı sahip bir bakırdan imal edilmiştir. Dış boru, 36 mm çaplı demirden imal edilmiştir. Sıcak su, dış boru üzerinden ve soğuk su (nanoakışkanlar) da iç boru üzerinden akar. Soğuk kavis (nanoakışkanlar) ve sıcak kavis (saf su)'deki sabit akış oranında (7 LPM) mevcut nanoakışkan hacmi konsantrasyonları (% 0.1, 0.2 ve 0.3) altında ciddi akış oranı aralıkları (2.5, 3, 3.5, 4 ve 4.5 LPM) altında birkaç deney gerçekleştirilmiştir. TiO₂/su, saf su ve Al₂O₃/suyun deneysel sonuçlarını kıyasladığımızda; Nusselt sayısı, Reynolds sayısı, ısı aktarım katsayısı ve genel ısı aktarımı katsayısı değerlerinin, kütle akış oranının arttığında artmış olduğu ve hatta bunların nanoakışkanların (% 0.1, 0.2 ve 0.3)'lik bir hacim artışıyla direkt olarak artmış olduğunu gözlemleyebilmekteyiz. Sonuç olarak; yukarıda belirtilen özelliklerin tüm değerlerinin, sırasıyla Al₂O₃/sudaki (distile su) nanoakışkanlarında, TiO₂/sudaki (distile su) nanoakışkanları ve sudan daha iyi olduğu tanımlanmıştır. Anahtar Sözcükler: Çift borulu ısı eşanjörü (DPHE), Al₂O₃/su ve TiO₂/su Nanoakışkanları, Nusselt Sayısı, Isı Aktarım Katsayısı, Genel Isı Aktarım Katsayısı.

The modern heat transfer science ends to use small and more effective devices by developing heat transfer methods/ in order to get best results. Double pipe heat exchanger (DPHE) is considered to be one of the most important types of exchangers of heat which was used in various industrial fields. In order to increase the efficiency of such heat exchangers, many researchers have proposed different heat transfer techniques. One of these techniques is replacing the base fluid with another kind of fluid which has better heat specifications, called the nanofluids. The main aim of this study is to investigate experimentally the effect of adding Al₂O₃ and TiO₂ nanoparticles to deionized water as a base fluid on the horizontal counter flow double pipe heat exchanger's performance under turbulent flow conditions. The test rig consists of a hot liquid loop, cold liquid loop and the test section of double pipe heat exchanger with 0.8m length. The inner tube is made out of copper with a diameter of 16mm. The outer tube is made of iron with a diameter of 36mm. The hot water flows through the outer tube and the cold liquid (nanofluids) flow through the inner tube. Several experiments were conducted under current nanofluid volume concentrations (0.1, 0.2 and 0.3%) and under several flow rate ranges (2.5, 3, 3.5, 4 and 4.5 LPM) at the cold loop (nanofluids) and constant flow rate at (7 LPM) at the hot loop (pure water). When comparing the experimental results of TiO₂/water, pure water, and Al₂O₃/water, we can observe, that the values of Nusselt number, Reynolds number, heat transfer coefficient and the overall heat transfer coefficient were increased when the rate of mass flow was increased, furthermore, they were increased directly with an increase of volume concentration (0.1, 0.2 and 0.3%) of nanofluids. Finally, it was declared that all the values of the properties which were mentioned in above were better in Al₂O₃/water (distilled water) nanofluids than in TiO₂/water (distilled water) nanofluids and water, respectively.Keywords: Double pipe heat exchanger (DPHE), Al₂O₃/water and TiO₂/water Nanofluids, Nusselt Number, Heat Transfer Coefficient, Overall Heat Transfer Coefficient.