混合納米流體余熱回收裝置強(qiáng)化換熱機(jī)理綜述研究

摘" " " 要： 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，能源短缺問題日益嚴(yán)峻，傳統(tǒng)的換熱工質(zhì)已經(jīng)不能滿足工業(yè)的需要，納米流體作為一種新興的換熱工質(zhì)受到越來越多的關(guān)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(yōu)越的性能。但是各顆粒之間的相互作用導(dǎo)致混合納米流體的傳熱機(jī)制更加復(fù)雜，為了在實際中更好地應(yīng)用混合納米流體，所以研究影響混合納米流體熱導(dǎo)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(dǎo)率的相關(guān)因素。

關(guān)" 鍵" 詞：混合納米流體；納米流體；復(fù)合納米材料；熱導(dǎo)率

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

隨著工業(yè)的發(fā)展，能源成本也在逐漸上升。而傳統(tǒng)的換熱工質(zhì)水、乙二醇等由于熱導(dǎo)率低、換熱能力差，導(dǎo)致設(shè)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(tǒng)換熱工質(zhì)中添加導(dǎo)熱系數(shù)高的納米顆粒（納米尺度通常在1～100 nm），制成穩(wěn)定的懸浮液體增強(qiáng)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(yè)換熱設(shè)備中，常需要換熱工質(zhì)同時具有多種優(yōu)異的性能。所以為了進(jìn)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?；旌霞{米流體包含多種類型的納米顆粒[1]，由于各顆粒的協(xié)同作用，會呈現(xiàn)出多種優(yōu)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(fù)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(dǎo)率是衡量納米流體傳熱性能的重要指標(biāo)，2007年JANA[4]等發(fā)表了第一篇關(guān)于混合納米流體熱導(dǎo)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(dǎo)熱性。本文對混合納米流體的制備方法進(jìn)行闡述，著重于穩(wěn)定方法、溫度、濃度和顆?；旌媳鹊葘旌霞{米流體熱導(dǎo)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(zhì)和納米顆粒的大小、形態(tài)、濃度以及溶液的pH和穩(wěn)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(guān)。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(guī)模生產(chǎn)雜化納米流體的能力而得到了廣泛的應(yīng)用。

1.1" 一步法

在一步法中，納米粒子的合成和分散同時進(jìn)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(shù)使得顆粒聚集減少，懸浮穩(wěn)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(wěn)定銅納米流體的方法。MUNKHBAYAR[8]等通過脈沖蒸發(fā)將銀納米粒子分散到MWCNTS/水納米流體中，制備了穩(wěn)定的納米流體。一步法制備出的混合納米流體穩(wěn)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(xué)或機(jī)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(chǔ)流體。SURESH[11]等通過熱化學(xué)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(yōu)點是大規(guī)模生產(chǎn)和降低經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)能力。缺點是納米粒子容易聚集，穩(wěn)定性較差。

2" 混合納米流體熱導(dǎo)率

熱導(dǎo)率是衡量材料導(dǎo)熱能力的標(biāo)準(zhǔn)。影響混合納米流體熱導(dǎo)率的因素有很多，基液、納米顆粒粒徑[13]、種類以及穩(wěn)定方法的使用等。本節(jié)對基液、穩(wěn)定方法、濃度、溫度及顆?；旌媳葘旌霞{米流體熱導(dǎo)率的影響進(jìn)行綜述。

2.1" 穩(wěn)定方法對混合納米流體熱導(dǎo)率的影響

混合納米流體的穩(wěn)定性對納米流體的各種熱性能有著至關(guān)重要的影響。納米粒子的聚集導(dǎo)致沉積和堵塞，進(jìn)而導(dǎo)致納米流體的導(dǎo)熱性降低。為了提升混合納米流體的穩(wěn)定性，研究者們使用了表面活性劑、調(diào)節(jié)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(wěn)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(wěn)定性，同時也對混合納米流體的熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響，本文主要總結(jié)了這兩種穩(wěn)定方法對混合納米流體熱導(dǎo)率的影響。

2.1.1" 超聲時間對混合納米流體熱導(dǎo)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(zhì)。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F(xiàn)e3O4和碳納米管納米顆粒的混合納米流體。結(jié)果表明，超聲時間對納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)有一定的影響，在最佳超聲時間后，導(dǎo)熱系數(shù)先增大后減小。TIWARI[16]采用兩步法制備了CeO2-MWCNTS/水基，對其進(jìn)行超聲分散處理，結(jié)果表明超聲時間在" " 90 min時熱導(dǎo)率具有最高值，超出這個時間會降低熱導(dǎo)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(dǎo)率的影響，發(fā)現(xiàn)以2 h的超聲處理時間為最佳，超過2 h則熱導(dǎo)率增加緩慢，隨后降低。超聲分散時間對導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)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(wěn)定納米流體的一種經(jīng)濟(jì)、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(dǎo)率的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，表面活性劑的添加量對制備的納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)有影響。導(dǎo)熱系數(shù)在表面活性劑達(dá)到3∶2的混合比時出現(xiàn)最大值，在此之后，進(jìn)一步添加表面活性劑會導(dǎo)致導(dǎo)熱率降低。LEONG[18]等制備了Cu-TiO2水基混合納米流體，結(jié)果表明混合納米流體的熱導(dǎo)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(dǎo)率的增加存在最優(yōu)值。MA[19]等研究了不同質(zhì)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(dǎo)熱系數(shù)影響如圖2所示。

2.2" 溫度與濃度對混合納米流體熱導(dǎo)率的影響

當(dāng)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(dǎo)致納米顆?？焖俣S機(jī)的移動，增加了它們傳遞熱量的能力，這種現(xiàn)象被稱為布朗運動。而隨著納米粒子濃度的增加，熱導(dǎo)率增加的機(jī)理可以解釋為低溫下的滲流效應(yīng)和高溫下的滲流效應(yīng)與布朗運動的結(jié)合。值得注意的是，納米粒子的過量添加可能會導(dǎo)致納米粒子的團(tuán)聚和沉降，從而降低熱導(dǎo)率。因此，在實踐中，最好是在有限的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1%）下使用納米粒子。

ASADI[20]等實驗研究證實在25～50 ℃和質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.125%～1.5%范圍內(nèi)，Al2O3-MWCNTS/導(dǎo)熱油混合納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。PARSIAN[21]等研究了Al2O3-Cu/EG混合納米流體熱導(dǎo)率，結(jié)果表明混合納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱性能的影響，結(jié)果表明，由于布朗運動熱導(dǎo)率隨溫度升高而增加，在較高溫度下濃度的增加對熱導(dǎo)率的增加有更大的影響。在低濃度時，溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響較弱。SAFI[23]等人合成了納米流體（TiO2-MWCNTS/水），研究表明導(dǎo)熱系數(shù)隨著濃度的提高而增加。導(dǎo)熱系數(shù)在溫度增加到52 ℃時達(dá)到最大值，當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時，導(dǎo)熱系數(shù)降低。李龍[24]等通過兩步法制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jié)果表明導(dǎo)熱系數(shù)隨混合納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)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(jìn)行池內(nèi)沸騰換熱實驗。結(jié)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?jǐn)?shù)的增加而增加。溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響如圖3所示。

2.3" 顆粒混合比對混合納米流體熱導(dǎo)率的影響

混合納米流體粒子比會對熱物性參數(shù)產(chǎn)生明顯的影響。但是，目前關(guān)于粒子比對混合納米流體的熱導(dǎo)率影響的研究相對較少，納米顆粒間的協(xié)同作用使其對熱物性參數(shù)的影響十分復(fù)雜，尚沒有統(tǒng)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(dǎo)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(fā)現(xiàn)Al2O3-Ag" " （50∶50）比其他混合比具有更好的熱導(dǎo)率。DALKILI?[26]等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為1.0%、溫度為60 ℃時，CNT- SiO2的摻混比例為80%∶20%，導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱性進(jìn)行了研究。他們的研究表明，兩種混合納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)在20～50 ℃溫度范圍時，最佳顆?；旌媳?0.50%（體積分?jǐn)?shù)） Al2O3+2.5%（體積分?jǐn)?shù)）SiO2的導(dǎo)熱系數(shù)最高增強(qiáng)達(dá)23.61%，0.50%（體積分?jǐn)?shù)）Al2O3+2.5%（體積分?jǐn)?shù)）TiO2的導(dǎo)熱系數(shù)最高增強(qiáng)達(dá)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(jié)果表明，導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)出現(xiàn)最低值。

2.4" 基液對混合納米流體熱導(dǎo)率的影響

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

SATI[30]等開發(fā)了幾種基于不同納米復(fù)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(dǎo)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(dǎo)率提高為26%。對于ZnO-GC/EG混合納米流體，熱導(dǎo)率的最大增強(qiáng)率為21.2%。KANNAIYAN[31]等比較了純水與乙二醇-水，結(jié)果純水的導(dǎo)熱系數(shù)更高，這是因為水比水-乙二醇體系具有更好的導(dǎo)熱性。SUNDAR[32]等測定了幾種GO-Co3O4基HyNF的導(dǎo)熱系數(shù)。結(jié)果表明熱導(dǎo)率高的基液的導(dǎo)熱系數(shù)更高。然而，在SUNDAR[33]等的另一項研究中，基液的導(dǎo)熱系數(shù)沒有影響混合納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)的變化趨勢。

3" 結(jié) 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(wěn)定性更好，缺點是成本高、造價昂貴。采用兩步法的優(yōu)點是便于大規(guī)模生產(chǎn)和降低成本，缺點是納米粒子容易聚集，穩(wěn)定性差。

2）超聲分散時間可以改變混合納米流體的熱導(dǎo)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(dǎo)率。

3）大量的文獻(xiàn)表明，混合納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)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(jìn)而增強(qiáng)了傳熱性能。但是這個提升存在上限，當(dāng)溫度和濃度超過這個上限，熱導(dǎo)率就會下降。

4）顆?；旌媳葘旌霞{米流體的熱物性參數(shù)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(guān)于混合納米流體的基液對其導(dǎo)熱系數(shù)的影響的相關(guān)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(dǎo)熱系數(shù)來衡量對混合納米流體的影響，水基混合納米流體的熱導(dǎo)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