Pool Boiling Heat Transfer Properties of Water-Based Dilute Fe+ZnO Hybrid Nanofluid under Low Heat Flux Condition: A Numerical Study

Öz

Thermophysical properties of the working fluid of a fluid-driven heat transfer system is the key parameter in determination of heat transfer performance of the system they were used. The nanofluids, nanoparticles containing colloidal suspensions, have been extensively used for performance enhancement in many applications, however, the nanoparticles cannot have both high thermal conductivity and good stability simultaneously. To provide these characteristics together, hybrid utilization of nanoparticles has emerged. In this numerical study, pool boiling heat transfer characteristics of dilute Fe+ZnO/deionized water hybrid nanofluid were investigated under low heat flux condition. The hybrid nanofluid suspension at the volumetric rate of 0.5% and Fe+ZnO combination of (50:50) were taken into account. For numerical simulations, Computational Fluid Dynamics approach and Volume-of-Fluid multiphase model were employed. Vapor volume fractions and velocity vectors in fluid medium were obtained for deionized water, and the hybrid nanofluid aforementioned. The start-up of the bubbles and departures with time were investigated for each working fluid. Under the same conditions, the start-up time of the boiling for deionized water and dilute hybrid nanofluid were observed as 468. and 441. seconds, respectively. The numerical findings also displayed that hybrid nanofluids can be used for pool boiling implementations in order to provide improved heat transfer characteristics.

Anahtar Kelimeler

• Computational Fluid Dynamics Simulation
• Hybrid Nanofluid
• Pool Boiling
• Volume-of-Fluid

Su Esaslı Seyreltik Fe+ZnO Hibrit Nanoakışkanının Düşük Isı Akısı Şartında Havuz Kaynama Isı Transferi Özellikleri: Sayısal Bir Çalışma

Öz

Akışkanla çalışan bir ısı transfer sisteminin çalışma akışkanının termofiziksel özellikleri, kullanıldıkları sistemin ısı transfer performansının belirlenmesinde anahtar parametredir. Nanokışkanlar, nanoparçacıklar içeren koloidal süspansiyonlar, birçok uygulamada performans iyileştirme amacıyla yaygın olarak kullanılmıştır, ancak nanoparçacıklar aynı anda hem yüksek ısıl iletkenlik hem de iyi derecede kararlılık sağlayamamaktadır. Bu özellikleri bir arada sağlamak için nanoparçacıkların hibrit kullanımı ortaya çıkmıştır. Bu sayısal çalışmada, seyreltik Fe + ZnO/saf su hibrit nanoakışkanın havuz kaynama ısı transfer özellikleri düşük ısı akısı koşulu altında incelenmiştir. Analizlerde, %0,5 hacimsel oranda hibrit nanoakışkan süspansiyonu ve Fe+ZnO kombinasyonu (50:50) olarak dikkate alınmıştır. Sayısal simülasyonlar için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği yaklaşımı ve Akışkan Hacmi çok fazlı modeli kullanılmıştır. Hem saf su hem de bahsi geçen hibrit nanoakışkan için akışkan ortamındaki buhar hacmi fraksiyonları ve hız vektörleri elde edilmiştir. Her bir çalışma akışkanı için kabarcıklanma başlangıcı ve zamanla bunların yüzeyden ayrılışları incelenmiştir. Aynı şartlar altında saf suyun ve hibrit nanoakışkanın sırasıyla 468. ve 441. saniyelerde kaynamaya başladığı gözlemlenmiştir. Sayısal bulgular, hibrit nanoakışkanların iyileştirilmiş ısı transfer özellikleri sağlamak için havuz kaynama uygulamalarında kullanılabileceğini göstermiştir.

Anahtar Kelimeler

• Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Simülasyonu
• Hibrit Nanoakışkan
• Havuz Kaynama
• Akışkan Hacmi

Kaynakça

1. Ham J., Kim H., Shin Y., Cho, H. Experimental investigation of pool boiling characteristics in Al2O3 nanofluid according to surface roughness and concentration. International Journal of Thermal Sciences, 114(86-97), (2017). https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2016.12.009
2. You S.M., Kim J.H., Kim K.H. Effect of nanoparticles on critical heat flux of water in pool boiling heat transfer. Applied Physics Letters, 83(374-3376), (2003). https://doi.org/10.1063/1.1619206
3. Park H., Lee S.J., Jung S.Y. Effect of nanofluid formation methods on behaviors of boiling bubbles. International Journal of Heat and Mass Transfer, 135(1312-1318), (2019). https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.02.091
4. Rostamzadeh A., Jafarpur K., Rad E.G. Numerical investigation of pool nucleate boiling in nanofluid with lattice boltzmann method. Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 54(811-825), (2016). https://doi.org/10.15632/jtam-pl.54.3.811 Gupta R.R., Bhambi S., Agarwal, V.K. CFD modeling for nucleate pool boiling of nanofluids. Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, 75(402-412), (2019). https://doi.org/10.1080/10407782.2019.1591863
5. Salehi H., Hormozi F. Prediction of Al2O3–water nanofluids pool boiling heat transfer coefficient at low heat fluxes by using response surface methodology. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 137(1069-1082), (2019). https://doi.org/10.1007/s10973-018-07993-w
6. Hussien A.A., Yusop N.M., Al-Nimr M.A., Abdullah M.Z., Janvekar A.A., Elnaggar M.H. Numerical study of heat transfer enhancement using Al2O3-graphene/ water hybrid nanofluid flow in mini tubes. Iranian Journal of Science and Technology, Transactions A, Science, 43(1989–2000, (2019). https://doi.org/10.1007/s40995-018-0670-1
7. Aminfar H., Mohammadpourfard M., Sahraro M. Numerical simulation of nucleate pool boiling on the horizontal surface for nano-fluid using wall heat flux partitioning method. Computers & Fluids, 66(29-38), (2012). https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2012.05.019
8. Rahimian A., Kazeminejad H., Khalafi H., Mirvakili S. M., Akhavan A. An experimental study of the steel cylinder quenching in water-based nanofluids. International Journal of Engineering Transactions A: Basics, 33(28-33), (2020).

9. Mohammed H.I., Giddings D., Walker, G.S. CFD simulation of a concentrated salt nanofluid flow boiling in a rectangular tube. International Journal of Heat and Mass Transfer, 125(218-228), (2018). https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.04.069
10. Çiftçi E., Sözen A. A numerical study on performance improvement in boiling heat transfer via dichloromethane-based nanofluid utilization. Politeknik Dergisi, 23(849-857), (2020). https://doi.org/10.2339/politeknik.697085
11. Çiftçi E., Sözen A. Heat transfer enhancement in pool boiling & condensation using h-BN/DCM and SiO2/DCM nanofluids: experimental & numerical comparison. International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, 31(26-52), (2021). https://doi.org/10.1108/HFF-02-2020-0113
12. Afshari F., Zavaragh H.G., Di Nicola G. Numerical analysis of ball-type turbulators in tube heat exchangers with computational fluid dynamic simulations. International Journal of Environmental Science and Technology, 16(3771-3780), (2018). https://doi.org/10.1007/s13762-018-2012-4
13. Spiegel M., Redel T., Zhang Y.J., Struffert T., Hornegger J., Grossman R.G., Karmonik C. Tetrahedral vs. polyhedral mesh size evaluation on flow velocity and wall shear stress for cerebral hemodynamic simulation. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 14(9-22), (2011). https://doi.org/10.1080/10255842.2010.518565
14. Çiftçi E. Investigation of the thermophysical properties of AlN+ZnO/deionized water hybrid nanofluid. International Journal of Energy Studies, 5(59-67), (2020).