Експериментальне дослідження впливу добавок наночастинок у холодоагент R141b на процес кипіння у вільному об’ємі

Автор(и)

  • Olga Khliyeva Одеська національна академія харчових технологій вул. Канатна, 112, м. Одеса, Україна, 65039, Україна https://orcid.org/0000-0002-3592-4989
  • Tetiana Lukianova Одеська національна академія харчових технологій вул. Канатна, 112, м. Одеса, Україна, 65039, Україна https://orcid.org/0000-0001-8513-9746
  • Yury Semenyuk Одеська національна академія харчових технологій вул. Канатна, 112, м. Одеса, Україна, 65039, Україна https://orcid.org/0000-0002-3489-0262
  • Vitaly Zhelezny Одеська національна академія харчових технологій вул. Канатна, 112, м. Одеса, Україна, 65039, Україна https://orcid.org/0000-0002-0987-1561
  • Artem Nikulin Instituto Superior Técnico, Center for Innovation, Technology and Policy Research, IN+ Rovisco Pais ave., 1, Lisboa, Portugal, 1049-001, Португалія https://orcid.org/0000-0002-3304-0506

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.139418

Ключові слова:

нанофлюїд, відривний діаметр, частота відриву бульбашки, густина центрів зародкоутворення

Анотація

Наведено результати експериментального дослідження внутрішніх характеристик процесу кипіння у вільному об’ємі холодоагенту R141b, розчину R141b/поверхнево-активна речовина Span-80 і нанофлюїду R141b/Span-80/наночастинки TiO2 на поверхнях з нержавкої сталі й тефлону.

Виміри відривного діаметра бульбашок, частоти відриву бульбашок та густини центрів зародкоутворення проведено при атмосферному тиску в діапазоні густини теплового потоку від 3,0 до 7,5 кВт·м-2.

Дослідження показали, що відривний діаметр бульбашок при кипінні нанофлюїду на поверхні нержавкої сталі становить 0,7 мм, на тефлоновій поверхні – 0,45 мм. При цьому добавки наночастинок до розчину R141b/Span-80 призводять до зменшення відривного діаметра бульбашок на тефлоновій поверхні. На поверхні нержавкої сталі спостерігався протилежний ефект.

Показано, що добавки наночастинок TiO2 до розчину R141b/Span-80 у 2-8 разів зменшують кількість активних центрів зародкоутворення. Цей ефект залежить від густини теплового потоку та типу поверхні кипіння.

Виявлено, що при кипінні R141b і R141b/Span-80 зі збільшенням густини теплового потоку зростає різниця між значеннями густини активних центрів зародкоутворення на тефлоновій поверхні й на поверхні нержавкої сталі.

При густині теплового потоку 7,5 кВт·м-2 кількість активних центрів зародкоутворення на тефлоновій поверхні нижча у 2 рази, ніж на поверхні нержавкої сталі. При кипінні нанофлюїду в дослідженому діапазоні густини теплового потоку тип поверхні не позначається на кількості активних центрів зародкоутворення і частоті відриву бульбашок.

За результатами дослідження встановлено, що частота відриву бульбашок при кипінні холодоагенту R141b і розчину R141b/Span-80 на тефлоновій поверхні у 1,5-2 рази нижча, ніж на поверхні нержавкої сталі.

Отримані експериментальні дані можуть бути використані для прогнозування коефіцієнта тепловіддачі при кипінні розчину R141b/Span-80 і нанофлюїду R141b/Span-80/TiO2

Біографії авторів

Olga Khliyeva, Одеська національна академія харчових технологій вул. Канатна, 112, м. Одеса, Україна, 65039

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра теплофізики та прикладної екології

Tetiana Lukianova, Одеська національна академія харчових технологій вул. Канатна, 112, м. Одеса, Україна, 65039

Аспірант

Кафедра теплофізики та прикладної екології

Yury Semenyuk, Одеська національна академія харчових технологій вул. Канатна, 112, м. Одеса, Україна, 65039

Доктор технічних наук, доцент

Кафедра теплофізики та прикладної екології

Vitaly Zhelezny, Одеська національна академія харчових технологій вул. Канатна, 112, м. Одеса, Україна, 65039

Доктор технічних наук, професор

Кафедра теплофізики та прикладної екології

Artem Nikulin, Instituto Superior Técnico, Center for Innovation, Technology and Policy Research, IN+ Rovisco Pais ave., 1, Lisboa, Portugal, 1049-001

Кандидат технічних наук

Посилання

  1. Ali, H. M., Arshad, W. (2017). Effect of channel angle of pin-fin heat sink on heat transfer performance using water based graphene nanoplatelets nanofluids. International Journal of Heat and Mass Transfer, 106, 465–472. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.08.061
  2. Arshad, W., Ali, H. M. (2017). Graphene nanoplatelets nanofluids thermal and hydrodynamic performance on integral fin heat sink. International Journal of Heat and Mass Transfer, 107, 995–1001. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.10.127
  3. Arshad, W., Ali, H. M. (2017). Experimental investigation of heat transfer and pressure drop in a straight minichannel heat sink using TiO 2 nanofluid. International Journal of Heat and Mass Transfer, 110, 248–256. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.03.032
  4. Minakov, A. V., Lobasov, A. S., Guzei, D. V., Pryazhnikov, M. I., Rudyak, V. Y. (2015). The experimental and theoretical study of laminar forced convection of nanofluids in the round channel. Applied Thermal Engineering, 88, 140–148. doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2014.11.041
  5. Minakov, A. V., Guzei, D. V., Pryazhnikov, M. I., Zhigarev, V. A., Rudyak, V. Y. (2016). Study of turbulent heat transfer of the nanofluids in a cylindrical channel. International Journal of Heat and Mass Transfer, 102, 745–755. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.06.071
  6. Ding, Y., Chen, H., Wang, L., Yang, C.-Y., He, Y., Yang, W. et. al. (2007). Heat Transfer Intensification Using Nanofluids. KONA Powder and Particle Journal, 25, 23–38. doi: https://doi.org/10.14356/kona.2007006
  7. Liu, D.-W., Yang, C.-Y. (2007). Effect of Nano-Particles on Pool Boiling Heat Transfer of Refrigerant 141b. ASME 5th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels. doi: https://doi.org/10.1115/icnmm2007-30221
  8. Peng, H., Ding, G., Hu, H. (2011). Effect of surfactant additives on nucleate pool boiling heat transfer of refrigerant-based nanofluid. Experimental Thermal and Fluid Science, 35 (6), 960–970. doi: https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2011.01.016
  9. Ali, H. M., Generous, M. M., Ahmad, F., Irfan, M. (2017). Experimental investigation of nucleate pool boiling heat transfer enhancement of TiO 2 -water based nanofluids. Applied Thermal Engineering, 113, 1146–1151. doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.11.127
  10. You, S. M., Kim, J. H., Kim, K. H. (2003). Effect of nanoparticles on critical heat flux of water in pool boiling heat transfer. Applied Physics Letters, 83 (16), 3374–3376. doi: https://doi.org/10.1063/1.1619206
  11. Vassallo, P., Kumar, R., D’Amico, S. (2004). Pool boiling heat transfer experiments in silica–water nano-fluids. International Journal of Heat and Mass Transfer, 47 (2), 407–411. doi: https://doi.org/10.1016/s0017-9310(03)00361-2
  12. Kwark, S. M., Kumar, R., Moreno, G., Yoo, J., You, S. M. (2010). Pool boiling characteristics of low concentration nanofluids. International Journal of Heat and Mass Transfer, 53 (5-6), 972–981. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.11.018
  13. Das, S. K., Putra, N., Roetzel, W. (2003). Pool boiling characteristics of nano-fluids. International Journal of Heat and Mass Transfer, 46 (5), 851–862. doi: https://doi.org/10.1016/s0017-9310(02)00348-4
  14. Das, S. K., Putra, N., Roetzel, W. (2003). Pool boiling of nano-fluids on horizontal narrow tubes. International Journal of Multiphase Flow, 29 (8), 1237–1247. doi: https://doi.org/10.1016/s0301-9322(03)00105-8
  15. Bang, I. C., Heung Chang, S. (2005). Boiling heat transfer performance and phenomena of Al2O3–water nano-fluids from a plain surface in a pool. International Journal of Heat and Mass Transfer, 48 (12), 2407–2419. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.12.047
  16. Kim, S. J., Bang, I. C., Buongiorno, J., Hu, L. W. (2007). Surface wettability change during pool boiling of nanofluids and its effect on critical heat flux. International Journal of Heat and Mass Transfer, 50 (19-20), 4105–4116. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.02.002
  17. Liu, Z., Liao, L. (2008). Sorption and agglutination phenomenon of nanofluids on a plain heating surface during pool boiling. International Journal of Heat and Mass Transfer, 51 (9-10), 2593–2602. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2006.11.050
  18. Trisaksri, V., Wongwises, S. (2009). Nucleate pool boiling heat transfer of TiO2–R141b nanofluids. International Journal of Heat and Mass Transfer, 52 (5-6), 1582–1588. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.07.041
  19. Nikulin, A., Khliyeva, O., Lukianov, N., Zhelezny, V., Semenyuk, Y. (2018). Study of pool boiling process for the refrigerant R11, isopropanol and isopropanol/Al2O3 nanofluid. International Journal of Heat and Mass Transfer, 118, 746–757. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.11.008
  20. Rohsenow, W. M., Hartnett, J. P., Cho, Y. I. (Eds.) (1998). Handbook of heat transfer. McGraw-Hill New York, 1501.
  21. Dhir, V. K. (2006). Mechanistic Prediction of Nucleate Boiling Heat Transfer–Achievable or a Hopeless Task? Journal of Heat Transfer, 128 (1), 1. doi: https://doi.org/10.1115/1.2136366
  22. Stephan, K., Abdelsalam, M. (1980). Heat-transfer correlations for natural convection boiling. International Journal of Heat and Mass Transfer, 23 (1), 73–87. doi: https://doi.org/10.1016/0017-9310(80)90140-4
  23. Tolubinskiy, V. I. (1980). Teploobmen pri kipenii. Kyiv: Naukova dumka, 316.
  24. Mikic, B. B., Rohsenow, W. M. (1969). A New Correlation of Pool-Boiling Data Including the Effect of Heating Surface Characteristics. Journal of Heat Transfer, 91 (2), 245. doi: https://doi.org/10.1115/1.3580136
  25. Benjamin, R. J., Balakrishnan, A. R. (1996). Nucleate pool boiling heat transfer of pure liquids at low to moderate heat fluxes. International Journal of Heat and Mass Transfer, 39 (12), 2495–2504. doi: https://doi.org/10.1016/0017-9310(95)00320-7
  26. Gerardi, C., Buongiorno, J., Hu, L., McKrell, T. (2011). Infrared thermometry study of nanofluid pool boiling phenomena. Nanoscale Research Letters, 6 (1), 232. doi: https://doi.org/10.1186/1556-276x-6-232
  27. Hamda, M., Hamed, M. S. (2016). Bubble dynamics in pool boiling of nanofluids. 12th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, 30–33.
  28. Shoghl, S. N., Bahrami, M., Moraveji, M. K. (2014). Experimental investigation and CFD modeling of the dynamics of bubbles in nanofluid pool boiling. International Communications in Heat and Mass Transfer, 58, 12–24. doi: https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2014.07.027
  29. Nam, Y., Aktinol, E., Dhir, V. K., Ju, Y. S. (2011). Single bubble dynamics on a superhydrophilic surface with artificial nucleation sites. International Journal of Heat and Mass Transfer, 54 (7-8), 1572–1577. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.11.031
  30. Pioro, I. L., Rohsenow, W., Doerffer, S. S. (2004). Nucleate pool-boiling heat transfer. I: review of parametric effects of boiling surface. International Journal of Heat and Mass Transfer, 47 (23), 5033–5044. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.06.019
  31. Ciloglu, D., Bolukbasi, A. (2015). A comprehensive review on pool boiling of nanofluids. Applied Thermal Engineering, 84, 45–63. doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.03.063
  32. Fang, X., Chen, Y., Zhang, H., Chen, W., Dong, A., Wang, R. (2016). Heat transfer and critical heat flux of nanofluid boiling: A comprehensive review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 62, 924–940. doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.05.047
  33. Gerardi, C., Buongiorno, J., Hu, L., McKrell, T. (2010). Study of bubble growth in water pool boiling through synchronized, infrared thermometry and high-speed video. International Journal of Heat and Mass Transfer, 53 (19-20), 4185–4192. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.05.041
  34. Karimzadehkhouei, M., Shojaeian, M., Şendur, K., Mengüç, M. P., Koşar, A. (2017). The effect of nanoparticle type and nanoparticle mass fraction on heat transfer enhancement in pool boiling. International Journal of Heat and Mass Transfer, 109, 157–166. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.01.116
  35. Quan, X., Wang, D., Cheng, P. (2017). An experimental investigation on wettability effects of nanoparticles in pool boiling of a nanofluid. International Journal of Heat and Mass Transfer, 108, 32–40. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.11.098
  36. Peng, H., Ding, G., Jiang, W., Hu, H., Gao, Y. (2009). Heat transfer characteristics of refrigerant-based nanofluid flow boiling inside a horizontal smooth tube. International Journal of Refrigeration, 32 (6), 1259–1270. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2009.01.025
  37. Tazarv, S., Saffar-Avval, M., Khalvati, F., Mirzaee, E., Mansoori, Z. (2015). Experimental Investigation of Saturated Flow Boiling Heat Transfer to TiO2/R141b Nanorefrigerant. Experimental Heat Transfer, 29 (2), 188–204. doi: https://doi.org/10.1080/08916152.2014.973976
  38. Eid, E. I., Khalaf-Allah, R. A., Taher, S. H., Al-Nagdy, A. A. (2017). An experimental investigation of the effect of the addition of nano Aluminum oxide on pool boiling of refrigerant 134A. Heat and Mass Transfer, 53 (8), 2597–2607. doi: https://doi.org/10.1007/s00231-017-2010-y
  39. Chang, T.-B., Wang, Z.-L. (2016). Experimental investigation into effects of ultrasonic vibration on pool boiling heat transfer performance of horizontal low-finned U-tube in TiO2/R141b nanofluid. Heat and Mass Transfer, 52 (11), 2381–2390. doi: https://doi.org/10.1007/s00231-015-1746-5
  40. Diao, Y. H., Li, C. Z., Zhao, Y. H., Liu, Y., Wang, S. (2015). Experimental investigation on the pool boiling characteristics and critical heat flux of Cu-R141b nanorefrigerant under atmospheric pressure. International Journal of Heat and Mass Transfer, 89, 110–115. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.05.043
  41. Khliyeva, O. et. al. (2017). An experimental study of heat transfer coefficient and internal characteristics of nucleate pool boiling of nanofluid R141b/TiO2. 1st European Symposium on Nanofluids (ESNf2017), 162–165.
  42. Cheng, L., Mewes, D., Luke, A. (2007). Boiling phenomena with surfactants and polymeric additives: A state-of-the-art review. International Journal of Heat and Mass Transfer, 50 (13-14), 2744–2771. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2006.11.016
  43. Thermal environmental conditions for human occupancy (2004). American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.

##submission.downloads##

Опубліковано

2018-07-24

Як цитувати

Khliyeva, O., Lukianova, T., Semenyuk, Y., Zhelezny, V., & Nikulin, A. (2018). Експериментальне дослідження впливу добавок наночастинок у холодоагент R141b на процес кипіння у вільному об’ємі. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(8 (94), 59–66. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.139418

Номер

Том 4 № 8 (94) (2018): Енергозберігаючі технології та обладнання

Розділ

Енергозберігаючі технології та обладнання

Ліцензія

Авторське право (c) 2018 Olga Khliyeva, Tetiana Lukianova, Yury Semenyuk, Vitaly Zhelezny, Artem Nikulin

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.