Особенности теплоотдачи в системе охлаждения двигателя с теплоносителем, содержащим наночастицы мультиграфена

Введение. Снижение температур теплонагруженных деталей форсированных перспективных дизелей для повышения их надёжности требует увеличения интенсивности теплоотдачи в их полостях охлаждения. Для этого были созданы теплоносители с увеличенным коэффициентом теплопроводности, представляющие собой устойчивые стабильные двухфазные суспензии на основе водного раствора этиленгликоля и твёрдых наночастиц мультиграфена с высоким коэффициентом теплопроводности.

Цель исследования – численное и экспериментальное определение влияния на теплоотдачу повышенного коэффициента теплопроводности двухфазных теплоносителей «базовая жидкость твёрдые наночастицы мультиграфена» при режимных условиях, характерных при работе системы охлаждения двигателя, которые моделировались на экспериментальной установке и с использованием компьютерного CFD-моделирования. Коэффициенты теплоотдачи от нагретой стенки к базовой жидкости и к двухфазному теплоносителю при повышенном его коэффициенте теплопроводности сравнивались между собой при одинаковых условиях испытания.

Методология и методы. На экспериментальной установке, работающей в условиях стационарного режима теплообмена, измерялись температуры жидкости и металлической стенки испытательной секции. При этом обеспечивалась неизменность параметров, которые имеют место в системах охлаждения двигателей: схема омывания нагретой стенки, конструктивные особенности полости охлаждения, искусственная турбулизация потока жидкости и пр. При определении трёхмерных полей скоростей охлаждающей жидкости по длине испытуемой секции, а также температур жидкости и стенки в любой точке расчётной модели выполнялась численная оценка коэффициента теплоотдачи для теплоносителей компьютерным моделированием по методу вычислительной гидродинамики (CFD).

Результаты. Установлено влияние на теплоотдачу повышенного коэффициента теплопроводности теплоносителей с частицами мультиграфена. Наличие наночастиц мультиграфена в суспензии, имеющей коэффициент теплопроводности 0,85 Вт/м·К, привело к увеличению интенсивности теплоотдачи на 30% по сравнению с базовой жидкостью. Полученные экспериментальные результаты были обработаны в числах подобия, что позволило получить критериальное уравнение для теплоотдачи при вынужденной конвекции и турбулентном режиме течения суспензий «жидкость – твёрдые частицы».

Научная новизна обусловлена получением новых данных по теплоотдаче от нагретой стенки к двухфазным теплоносителям «базовая жидкость – твёрдые наночастицы мультиграфена», а также предложением нового критериального уравнения для расчёта интенсивности теплоотдачи в системах охлаждения двигателей внутреннего сгорания при применении таких двухфазных теплоносителей с увеличенным коэффициентом теплопроводности.

Практическая значимость результатов работы заключается в повышении надёжности и обеспечении работоспособности перспективных форсированных двигателей за счёт снижения высоких температур деталей, ограничивающих камеру сгорания. Повышение интенсивности теплоотдачи в систему охлаждения позволит снизить объём охлаждающей жидкости в контуре и улучшить массогабаритные и теплоэнергетические характеристики теплообменных аппаратов системы.

1. Жаров А.В., Горшков Р.В., Савинский Н.Г. Теплоноситель с наночастицами мультиграфена для интенсификации процессов теплообмена в системах охлаждения двигателей внутреннего сгорания // Труды НАМИ. – 2018. – № 4 (275). – С. 48–56.

2. Горшков Р.В., Жаров А.В., Скосарь В.В. Влияние концентрации наночастиц мультиграфена в теплоносителе систем охлаждения судовых и транспортных энергетических установок на его вязкость // Вестник Государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. – 2019. – Т. 11. № 1. – С. 121–129.

3. Горшков Р.В., Жаров А.В., Савинский Н.Г. Влияние концентрации наночастиц мультиграфена в теплоносителе на теплоотдачу в системах охлаждения тепловых двигателей / Сборник докладов международной научно-технической конференции «8-е Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса». – 2019. – С. 462–472.

4. Emad Sadeghinezhad, Mohammad Mehrali, R. Saidur, Mehdi Mehrali, Sara Tahan Latibari, Amir Reza Akhiani, Hendrik Simon Cornelis Metselaar. A comprehensive review on graphene nanofluids: Recent research, development and applications // Energy Conversion and Management. – Vol. 111. – 2016. – P. 466–487.

5. Горшков Р.В., Жаров А.В., Павлов А.А., Фавстов В.С. Экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи жидкостей / Сборник материалов IV научно-практической конференции «История и перспективы развития транспорта на севере России». – 2015. – С. 16–19.

6. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М: Энергия, 1977. – 344 c.

7. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. В 2-х т.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1991. Т. 1. – 504 с., ил.

8. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. В 2-х т.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1991. Т. 2. – 552 с., ил.

9. Tessy Theres Baby. Enhanced convective heat transfer using graphene dispersed nanofluids // Nanoscale Research Letters. – Vol. 6. – 2011. – P. 289.

10. Emad Sadeghinezhad, Hussein Togun, Mohammad Mehrali, Parvaneh Sadeghi Nejad, Sara Tahan Latibari, Tuqa Abdulrazzaq, S.N. Kazi, Hendrik Simon Cornelis Metselaar. An experimental and numerical investigation of heat transfer enhancement for graphene nanoplatelets nanofluids in turbulent flow conditions // International Journal of Heat and Mass Transfer. – Vol. 81. – 2015. – P. 41–51.

11. Sadeghinezhad Emad, Mehrali Mohammad, Tahan Latibari Sara, Mehrali Mehdi, Kazi S.N., Oon Sean, Metselaar Hendrik. Experimental Investigation of Convective Heat Transfer Using Graphene Nanoplatelet Based Nanofluids under Turbulent Flow Conditions // Industrial & Engineering Chemistry Research. – Vol. 53. 2014. – P. 12455–12465.

12. Khajeh Arzani Hamed, Amiri Ahmad, Arzani Hamid Khajeh, Rozali Shaifulazuar Bin, Kazi S.N., Badarudin A. Toward improved heat transfer performance of annular heat exchangers with water/ethylene glycolbased nanofluids containing graphene nanoplatelets // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. – Vol. 126. – 2016. – P. 1427–1436.

13. Hossein Akhavan-Zanjani, Majid Saffar-Avval, Mohsen Mansourkiaei, Mohammad Ahadi, Farhad Sharif. Turbulent Convective Heat Transfer and Pressure Drop of Graphene–Water Nanofluid Flowing Inside a Horizontal Circular Tube // Journal of Dispersion Science and Technology. – Vol. 35. – 2014. – P. 1230–1240.

14. Mohammad Mehrali, Emad Sadeghinezhad, Marc A. Rosen, Amir Reza Akhiani, Sara Tahan Latibari, Mehdi Mehrali, Hendrik Simon Cornelis Metselaar. Heat transfer and entropy generation for laminar forced convection flow of graphene nanoplatelets nanofluids in a horizontal tube // International Communications in Heat and Mass Transfer. – Vol. 66. – 2015. – P. 23–31.