Journal of Energy Conversion

fa بررسی تجربی شاخص‌های بهبود انتقال حرارت و عملکرد ترموهیدرولیکی مبدل حرارتی پوسته لوله مینی‌کانال با استفاده از نانوسیال آب-گرافن Experimental Investigation of Heat Transfer Enhancement Indices and Thermal-Hydraulic Performance of a Mini-Channel Shell-and-Tube Heat Exchanger Using Graphene-Water Nanofluid مبدل های حرارتی Heat exchangers پژوهشي Research <div style="border-bottom: 1pt solid windowtext; padding: 0in 0in 1pt; text-align: justify;">در مطالعه تجربی حاضر، عملکرد حرارتی-هیدرولیکی یک مبدل حرارتی پوسته-لوله مینی‌کانال با استفاده از نانوسیال آب-گرافن مورد بررسی قرار گرفت. نانوسیال آب-گرافن تهیه شده به روش دو مرحله‌ای به‌عنوان سیال کاری استفاده شد. پایداری نانوسیال با اندازه‌گیری پتانسیل زتا و بررسی ته‌نشینی ارزیابی شد؛ مقادیر قدرمطلق پتانسیل زتا در pH برابر 7 و بالاتر بیش از 30 میلی‌ولت بود و طی 72 ساعت نیز ته‌نشینی قابل مشاهده‌ای در سوسپانسیون مشاهده نشد. در این مطالعه از شش کسر حجمی 0/02، 0/1، 0/2، 0/4، 0/6 و 0/8 درصد استفاده شد. پارامترهای کلیدی حرارتی-هیدرولیکی مورد بررسی شامل ضریب انتقال حرارت جابه‌جایی، ضریب اصطکاک، فاکتور بهبود حرارتی (TEF)، و معیار ارزیابی عملکرد (PEC) بودند. نتایج نشان دادند که استفاده از نانوسیال آب-گرافن در هر کسرحجمی سبب بهبود مشخصه‌های انتقال حرارت در مقایسه با حالت آب به‌عنوان سیال کاری می‌شود. بهترین عملکرد حرارتی در کسر حجمی 0/6 درصد به‌دست آمد؛ در این شرایط، افزایش ضریب اصطکاک نسبت به آب کم‌تر از ۲۰ درصد باقی ماند و مقدار PEC تا حدود 1/35 افزایش یافت. از طرف دیگر، بهترین عملکرد حرارتی-هیدرولیکی در کسرهای حجمی 0/4 و 0/6 درصد به‌دست آمدند. در این محدوده، بیشینه مقدار PEC برابر 1/388 در کسر حجمی 0/6 درصد و بیشینه مقدار TEF حدود 1/55 در کسر حجمی 0/4 درصد به‌دست آمد که نشان‌دهنده تعادل مناسب میان بهبود انتقال حرارت و افت فشار است. این یافته‌ها پتانسیل بالقوه استفاده از نانوسیال آب-گرافن برای بهبود بازده مبدل‌های حرارتی کوچک در رژیم‌های جریان گذرا را به خوبی نشان می‌دهد. هم‌چنین نتایج نشان داد که اگرچه استفاده از نانوسیال موجب افزایش ضریب اصطکاک می‌شود، اما این افزایش از 20% فراتر نرفته و در محدوده قابل قبول عملکردی باقی‌مانده است. بر این اساس، نانوسیال آب-گرافن می‌تواند گزینه‌ای مؤثر برای ارتقای عملکرد مبدل‌های حرارتی کوچک‌مقیاس، به‌‌ویژه در رژیم جریان گذرا، باشد.</div> <div><div id="ftn1"></div></div> This experimental study evaluated the thermal-hydraulic performance of a mini-channel shell-and-tube heat exchanger using graphene-water nanofluid prepared by a two-step method. Stability was verified by zeta-potential measurements and sedimentation observations; the absolute zeta-potential exceeded 30 mV at pH 7 and above, and no visible sedimentation occurred after 72 h. Six nanoparticle volume fractions (0.02%, 0.1%, 0.2%, 0.4%, 0.6%, and 0.8%) were tested. The convective heat-transfer coefficient, friction factor, thermal enhancement factor (TEF), and performance evaluation criterion (PEC) were evaluated. Graphene-water nanofluid enhanced heat transfer relative to water at all concentrations. The highest heat-transfer performance occurred at 0.6%, while the increase in friction factor remained below 20%. The best overall thermal-hydraulic performance was obtained at 0.4% and 0.6%; the maximum PEC was 1.388 at 0.6%, and the maximum TEF was approximately 1.55 at 0.4%, indicating a favorable balance between heat-transfer enhancement and hydraulic penalty. These results demonstrate that optimized graphene-water nanofluids can improve small-scale heat-exchanger performance, particularly under transitional-flow conditions, without an excessive friction penalty. نانوذرات گرافن, مبدل حرارتی پوسته-لوله, آنالیز ترمو-هیدرولیکی, انتقال حرارت, المان محدود Graphene nanoparticles, Shell-and-tube heat exchanger, Thermo-hydraulic analysis, Heat transfer, Finite element. 57 70 http://jeed.dezful.iau.ir/browse.php?a_code=A-10-431-1&slc_lang=fa&sid=1 Mohammad Safarpour محمد صفرپور Mohammad.safarpour@iau.ac.ir 10031947532846005514 10031947532846005514 No Department of Mechanical Engineering, SR.C., Islamic Azad University, Tehran, Iran گروه مهندسی مکانیک و هوافضا، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران Masoud Zare مسعود زارع Masoud_zareh@iau.ac.ir 10031947532846005515 10031947532846005515 Yes Department of Mechanical Engineering, SR.C., Islamic Azad University, Tehran, Iran گروه مهندسی مکانیک و هوافضا، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران Alimorad Rashidi علیمراد رشیدی rashidiam@ripi.ir 10031947532846005516 10031947532846005516 No Nanotechnology Research Center, Research Institute of Petroleum Industry (RIPI), Tehran, Iran مرکز تحقیقات نانوتکنولوژی، مرکز تحقیقاتی صنعت پتروشیمی (RIPI)، تهران، ایران Kourosh Javaherdeh کوروش جواهرده javaherdeh@guilan.ac.ir 10031947532846005517 10031947532846005517 No Department of Mechanical Engineering, University of Guilan, Rasht, Iran دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، رشت، ایران