混合納米流體余熱回收裝置強化換熱機理綜述研究

摘" " " 要： 隨著科學技術的進步，能源短缺問題日益嚴峻，傳統的換熱工質已經不能滿足工業的需要，納米流體作為一種新興的換熱工質受到越來越多的關注。而混合納米流體作為單納米流體的延伸，具有更全面更優越的性能。但是各顆粒之間的相互作用導致混合納米流體的傳熱機制更加復雜，為了在實際中更好地應用混合納米流體，所以研究影響混合納米流體熱導率的因素是必要的。介紹了混合納米流體的制備方法以及影響混合納米流體熱導率的相關因素。

關" 鍵" 詞：混合納米流體；納米流體；復合納米材料；熱導率

中圖分類號：TK124" " " 文獻標識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2023）05-0756-05

隨著工業的發展，能源成本也在逐漸上升。而傳統的換熱工質水、乙二醇等由于熱導率低、換熱能力差，導致設備的換熱性能下降。1995年研究CHOI等提出了納米流體這一概念。納米流體是在傳統換熱工質中添加導熱系數高的納米顆粒（納米尺度通常在1～100 nm），制成穩定的懸浮液體增強其換熱性能[1]。單一納米流體由于只添加一種納米顆粒，僅突出某方面特性。而在很多工業換熱設備中，常需要換熱工質同時具有多種優異的性能。所以為了進一步提升換熱能力，科研人員將兩種及兩種以上粒子混合在基液中，制成混合納米流體。混合納米流體包含多種類型的納米顆粒[1]，由于各顆粒的協同作用，會呈現出多種優異性能?；旌霞{米流體的制備有兩種方式：將兩種或兩種以上的納米顆粒直接雜化在基液中；將雜化納米顆粒（納米復合材料）分散在基液中[2]。雜化納米顆粒的合成是第二種制備方式的前提，TURCU[3]是最早報道合成雜化納米顆粒（MWCNTS/Fe2O3）的人。熱導率是衡量納米流體傳熱性能的重要指標，2007年JANA[4]等發表了第一篇關于混合納米流體熱導率的文章。他們實驗研究了基于碳納米管、銅和金納米顆粒以及它們的組合、碳納米管-銅/水和碳納米管-金/水的納米流體導熱性。本文對混合納米流體的制備方法進行闡述，著重于穩定方法、溫度、濃度和顆?；旌媳鹊葘旌霞{米流體熱導率的影響。

1" 混合納米流體制備

混合納米流體的換熱性能在很大程度上取決于基液的性質和納米顆粒的大小、形態、濃度以及溶液的pH和穩定劑的使用等，這些因素都與納米流體的制備過程密切相關。目前合成納米流體通常采用一步法和兩步法。兩步法因具有成本效益和大規模生產雜化納米流體的能力而得到了廣泛的應用。

1.1" 一步法

在一步法中，納米粒子的合成和分散同時進行。ABEROUMAND[5]等采用一步法，利用電爆炸絲法制備（WO3-Ag/油）混合納米流體。EASTMAN[6]等采用單步物理方法制備了混合納米流體，這種技術使得顆粒聚集減少，懸浮穩定性增加。ZHU[7]等提出了一種在微波輻射下，用磷酸鈉和乙二醇還原CuO4·5H2O從而獲得穩定銅納米流體的方法。MUNKHBAYAR[8]等通過脈沖蒸發將銀納米粒子分散到MWCNTS/水納米流體中，制備了穩定的納米流體。一步法制備出的混合納米流體穩定性更好，但是成本較高。

1.2" 兩步法

在兩步法中，納米材料首先通過化學或機械加工如研磨、氣相和溶膠凝膠法等制成干粉形式。第二步是將制備的納米粒子分散在基液如水、乙二醇、油中。SOLTANI[9]等采用了兩步法制備了混合納米流體。一些研究人員如MINEA[10]等先合成了雜化納米粒子，然后將這些粒子分散到基礎流體。SURESH[11]等通過熱化學法制備Al2O3-Cu雜化納米顆粒，再將雜化納米粒子分散在水中，獲得混合納米流體。FARBOD[12]等采用兩步法將Ag-MWCNTS雜化納米顆粒分散到基液中，制備了混合納米流體。采用兩步法的優點是大規模生產和降低經濟負擔能力。缺點是納米粒子容易聚集，穩定性較差。

2" 混合納米流體熱導率

熱導率是衡量材料導熱能力的標準。影響混合納米流體熱導率的因素有很多，基液、納米顆粒粒徑[13]、種類以及穩定方法的使用等。本節對基液、穩定方法、濃度、溫度及顆?；旌媳葘旌霞{米流體熱導率的影響進行綜述。

2.1" 穩定方法對混合納米流體熱導率的影響

混合納米流體的穩定性對納米流體的各種熱性能有著至關重要的影響。納米粒子的聚集導致沉積和堵塞，進而導致納米流體的導熱性降低。為了提升混合納米流體的穩定性，研究者們使用了表面活性劑、調節pH值和超聲波處理等方法[14]。表面活性劑的加入和超聲波處理是提高膠體混合物穩定性最常用的方法，這些方法大大提升了混合納米流體的穩定性，同時也對混合納米流體的熱導率產生影響，本文主要總結了這兩種穩定方法對混合納米流體熱導率的影響。

2.1.1" 超聲時間對混合納米流體熱導率的影響

超聲分散利用高頻振動使納米顆粒均勻分散在基液中，而不改變納米顆粒的表面性質。納米粒子的大小、納米流體的類型和納米粒子的濃度通常決定了超聲的最佳時間。SHAHSAVAR[15]等制備了含Fe3O4和碳納米管納米顆粒的混合納米流體。結果表明，超聲時間對納米流體的導熱系數有一定的影響，在最佳超聲時間后，導熱系數先增大后減小。TIWARI[16]采用兩步法制備了CeO2-MWCNTS/水基，對其進行超聲分散處理，結果表明超聲時間在" " 90 min時熱導率具有最高值，超出這個時間會降低熱導率。APARNA[17]等制備了不同納米顆粒配比的Al2O3-Ag/水基混合納米流體，考察了超聲處理時間對熱導率的影響，發現以2 h的超聲處理時間為最佳，超過2 h則熱導率增加緩慢，隨后降低。超聲分散時間對導熱系數的影響如圖1所示。

2.1.2" 表面活性劑對混合納米流體熱導率的影響

添加表面活性劑（也稱為分散劑）是通過影響混合物的表面特性來穩定納米流體的一種經濟、簡單的方法。TIWARI[16]等研究了表面活性劑的混合比對制備的CeO2-MWCNTS/水基混合納米流體的熱導率的影響。實驗發現，表面活性劑的添加量對制備的納米流體的導熱系數有影響。導熱系數在表面活性劑達到3∶2的混合比時出現最大值，在此之后，進一步添加表面活性劑會導致導熱率降低。LEONG[18]等制備了Cu-TiO2水基混合納米流體，結果表明混合納米流體的熱導率隨著表面活性劑的添加而增高，且表面活性劑的添加對熱導率的增加存在最優值。MA[19]等研究了不同質量濃度和溫度的表面活性劑SDS、PVP和CTAB對Al2O3-CuO/水基和Al2O3-TiO2/水基混合納米流體的影響，研究表明存在表面活性劑的最佳值，這個值稱為臨界膠束濃度。表面活性劑用量對導熱系數影響如圖2所示。

2.2" 溫度與濃度對混合納米流體熱導率的影響

當混合納米流體的溫度增加時，納米顆粒所擁有的能量增加，這導致納米顆粒快速而隨機的移動，增加了它們傳遞熱量的能力，這種現象被稱為布朗運動。而隨著納米粒子濃度的增加，熱導率增加的機理可以解釋為低溫下的滲流效應和高溫下的滲流效應與布朗運動的結合。值得注意的是，納米粒子的過量添加可能會導致納米粒子的團聚和沉降，從而降低熱導率。因此，在實踐中，最好是在有限的質量分數（1%）下使用納米粒子。

ASADI[20]等實驗研究證實在25～50 ℃和質量分數0.125%～1.5%范圍內，Al2O3-MWCNTS/導熱油混合納米流體的導熱系數隨溫度和質量分數的增加而增加。PARSIAN[21]等研究了Al2O3-Cu/EG混合納米流體熱導率，結果表明混合納米流體的導熱系數隨濃度和溫度的升高呈非線性增加。ESFAHANI[22]等研究了溫度和濃度變化對ZnO-Ag/水基混合納米流體導熱性能的影響，結果表明，由于布朗運動熱導率隨溫度升高而增加，在較高溫度下濃度的增加對熱導率的增加有更大的影響。在低濃度時，溫度對導熱系數的影響較弱。SAFI[23]等人合成了納米流體（TiO2-MWCNTS/水），研究表明導熱系數隨著濃度的提高而增加。導熱系數在溫度增加到52 ℃時達到最大值，當溫度進一步升高時，導熱系數降低。李龍[24]等通過兩步法制備了質量分數分別為1.0%、2.0%、3.0%、5.0%的CuO-ZnO混合納米流體，以乙二醇和去離子水為基液。結果表明導熱系數隨混合納米流體的質量分數和溫度的升高而增大。賈壯壯[25]等同樣利用兩步法制備了體積分數0.001%～0.1%的Al2O3/H2O、CuO/H2O 納米流體以及CuO-Al2O3/H2O混合納米流體，并進行池內沸騰換熱實驗。結果表明，混合納米流體沸騰換熱曲線與單納米流體趨勢一致，隨著納米流體體積分數的增加而增加。溫度對導熱系數的影響如圖3所示。

2.3" 顆粒混合比對混合納米流體熱導率的影響

混合納米流體粒子比會對熱物性參數產生明顯的影響。但是，目前關于粒子比對混合納米流體的熱導率影響的研究相對較少，納米顆粒間的協同作用使其對熱物性參數的影響十分復雜，尚沒有統一理論計算最佳粒子比。

APARNA[17]等研究了Al2O3-Ag混合納米流體的導熱性能。研究考慮了3種不同的Al2O3-Ag混合比（30∶70、50∶50、70∶30），發現Al2O3-Ag" " （50∶50）比其他混合比具有更好的熱導率。DALKILI?[26]等研究發現，當體積分數為1.0%、溫度為60 ℃時，CNT- SiO2的摻混比例為80%∶20%，導熱系數提高了26.29%。MOLDOVEANU[27-28]等對以水為基液的Al2O3-SiO2和Al2O3-TiO2混合納米流體的不同粒子濃度比的導熱性進行了研究。他們的研究表明，兩種混合納米流體的導熱系數在20～50 ℃溫度范圍時，最佳顆粒混合比 0.50%（體積分數） Al2O3+2.5%（體積分數）SiO2的導熱系數最高增強達23.61%，0.50%（體積分數）Al2O3+2.5%（體積分數）TiO2的導熱系數最高增強達19.2%。

馬明琰[29]等采用兩步法制備Al2O3-CuO/乙二" 醇-水混合納米流體，實驗溫度控制在20～60 ℃。Al2O3與 CuO 顆粒體積比為20∶80～80∶20。結果表明，導熱系數均隨著氧化鋁顆粒含量的增大而增大，在粒子比為50∶50時導熱系數出現最低值。

2.4" 基液對混合納米流體熱導率的影響

在混合納米流體中有兩種介質（固體納米顆粒和液基流體）負責傳熱。因此，熱導率取決于這兩種介質的傳熱能力。在文獻中有大量關于納米顆粒對混合納米流體的影響的報告，但關于基液對混合納米流體熱導率的影響的報告非常有限。

SATI[30]等開發了幾種基于不同納米復合材料的DI（去離子水）和EG（乙二醇）雜化納米流體，研究了熱導率隨溫度的變化。對于CuO-GC/DI混合納米流體，在50 ℃溫度下，最大熱導率提高為26%。對于ZnO-GC/EG混合納米流體，熱導率的最大增強率為21.2%。KANNAIYAN[31]等比較了純水與乙二醇-水，結果純水的導熱系數更高，這是因為水比水-乙二醇體系具有更好的導熱性。SUNDAR[32]等測定了幾種GO-Co3O4基HyNF的導熱系數。結果表明熱導率高的基液的導熱系數更高。然而，在SUNDAR[33]等的另一項研究中，基液的導熱系數沒有影響混合納米流體的導熱系數的變化趨勢。

3" 結 論

1）混合納米流體的制備方法主要為一步法和兩步法。一步法得到的納米流體穩定性更好，缺點是成本高、造價昂貴。采用兩步法的優點是便于大規模生產和降低成本，缺點是納米粒子容易聚集，穩定性差。

2）超聲分散時間可以改變混合納米流體的熱導率，最佳超聲時間受到納米粒子種類，基液等影響。表面活性劑可以影響混合納米流體的熱導率。

3）大量的文獻表明，混合納米流體的導熱系數隨著溫度和濃度的提升呈非線性增加，這是由于提升了粒子間的碰撞率，進而增強了傳熱性能。但是這個提升存在上限，當溫度和濃度超過這個上限，熱導率就會下降。

4）顆?；旌媳葘旌霞{米流體的熱物性參數有較大影響，對于不同種納米粒子存在不同的最佳" 配比。

5）關于混合納米流體的基液對其導熱系數的影響的相關研究比較少，目前的研究大部分通過對比不同種類基液的導熱系數來衡量對混合納米流體的影響，水基混合納米流體的熱導率大于乙二醇基混合納米流體。

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Abstract：" With the progress of science and technology， the problem of energy shortage is increasingly serious， and the traditional heat transfer medium can no longer meet the needs of industry. As a new heat transfer medium， nanofluid has attracted more and more scholars' attention. As an extension of single nanofluid， mixed nanofluid has more comprehensive and superior performance." However， the interaction between particles leads to a more complex heat transfer mechanism of mixed nanofluid. In order to better apply mixed nanofluid in practice， it is necessary to study the factors affecting the thermal conductivity of mixed nanofluid. In this paper， the preparation methods of mixed nanofluid were introduced， as well as the related factors affecting the thermal conductivity of mixed nanofluid.

Key words：" "Mixed nanofluid; Nano-fluid; Hybrid nano materials; Thermal conductivity