混合纳米流体余热回收装置强化换热机理综述研究

摘" " " 要： 随着科学技术的进步，能源短缺问题日益严峻，传统的换热工质已经不能满足工业的需要，纳米流体作为一种新兴的换热工质受到越来越多的关注。而混合纳米流体作为单纳米流体的延伸，具有更全面更优越的性能。但是各颗粒之间的相互作用导致混合纳米流体的传热机制更加复杂，为了在实际中更好地应用混合纳米流体，所以研究影响混合纳米流体热导率的因素是必要的。介绍了混合纳米流体的制备方法以及影响混合纳米流体热导率的相关因素。

关" 键" 词：混合纳米流体；纳米流体；复合纳米材料；热导率

中图分类号：TK124" " " 文献标识码： A" " "文章编号： 1004-0935（2023）05-0756-05

随着工业的发展，能源成本也在逐渐上升。而传统的换热工质水、乙二醇等由于热导率低、换热能力差，导致设备的换热性能下降。1995年研究CHOI等提出了纳米流体这一概念。纳米流体是在传统换热工质中添加导热系数高的纳米颗粒（纳米尺度通常在1～100 nm），制成稳定的悬浮液体增强其换热性能[1]。单一纳米流体由于只添加一种纳米颗粒，仅突出某方面特性。而在很多工业换热设备中，常需要换热工质同时具有多种优异的性能。所以为了进一步提升换热能力，科研人员将两种及两种以上粒子混合在基液中，制成混合纳米流体。混合纳米流体包含多种类型的纳米颗粒[1]，由于各颗粒的协同作用，会呈现出多种优异性能。混合纳米流体的制备有两种方式：将两种或两种以上的纳米颗粒直接杂化在基液中；将杂化纳米颗粒（纳米复合材料）分散在基液中[2]。杂化纳米颗粒的合成是第二种制备方式的前提，TURCU[3]是最早报道合成杂化纳米颗粒（MWCNTS/Fe2O3）的人。热导率是衡量纳米流体传热性能的重要指标，2007年JANA[4]等发表了第一篇关于混合纳米流体热导率的文章。他们实验研究了基于碳纳米管、铜和金纳米颗粒以及它们的组合、碳纳米管-铜/水和碳纳米管-金/水的纳米流体导热性。本文对混合纳米流体的制备方法进行阐述，着重于稳定方法、温度、浓度和颗粒混合比等对混合纳米流体热导率的影响。

1" 混合纳米流体制备

混合纳米流体的换热性能在很大程度上取决于基液的性质和纳米颗粒的大小、形态、浓度以及溶液的pH和稳定剂的使用等，这些因素都与纳米流体的制备过程密切相关。目前合成纳米流体通常采用一步法和两步法。两步法因具有成本效益和大规模生产杂化纳米流体的能力而得到了广泛的应用。

1.1" 一步法

在一步法中，纳米粒子的合成和分散同时进行。ABEROUMAND[5]等采用一步法，利用电爆炸丝法制备（WO3-Ag/油）混合纳米流体。EASTMAN[6]等采用单步物理方法制备了混合纳米流体，这种技术使得颗粒聚集减少，悬浮稳定性增加。ZHU[7]等提出了一种在微波辐射下，用磷酸钠和乙二醇还原CuO4·5H2O从而获得稳定铜纳米流体的方法。MUNKHBAYAR[8]等通过脉冲蒸发将银纳米粒子分散到MWCNTS/水纳米流体中，制备了稳定的纳米流体。一步法制备出的混合纳米流体稳定性更好，但是成本较高。

1.2" 两步法

在两步法中，纳米材料首先通过化学或机械加工如研磨、气相和溶胶凝胶法等制成干粉形式。第二步是将制备的纳米粒子分散在基液如水、乙二醇、油中。SOLTANI[9]等采用了两步法制备了混合纳米流体。一些研究人员如MINEA[10]等先合成了杂化纳米粒子，然后将这些粒子分散到基础流体。SURESH[11]等通过热化学法制备Al2O3-Cu杂化纳米颗粒，再将杂化纳米粒子分散在水中，获得混合纳米流体。FARBOD[12]等采用两步法将Ag-MWCNTS杂化纳米颗粒分散到基液中，制备了混合纳米流体。采用两步法的优点是大规模生产和降低经济负担能力。缺点是纳米粒子容易聚集，稳定性较差。

2" 混合纳米流体热导率

热导率是衡量材料导热能力的标准。影响混合纳米流体热导率的因素有很多，基液、纳米颗粒粒径[13]、种类以及稳定方法的使用等。本节对基液、稳定方法、浓度、温度及颗粒混合比对混合纳米流体热导率的影响进行综述。

2.1" 稳定方法对混合纳米流体热导率的影响

混合纳米流体的稳定性对纳米流体的各种热性能有着至关重要的影响。纳米粒子的聚集导致沉积和堵塞，进而导致纳米流体的导热性降低。为了提升混合纳米流体的稳定性，研究者们使用了表面活性剂、调节pH值和超声波处理等方法[14]。表面活性剂的加入和超声波处理是提高胶体混合物稳定性最常用的方法，这些方法大大提升了混合纳米流体的稳定性，同时也对混合纳米流体的热导率产生影响，本文主要总结了这两种稳定方法对混合纳米流体热导率的影响。

2.1.1" 超声时间对混合纳米流体热导率的影响

超声分散利用高频振动使纳米颗粒均匀分散在基液中，而不改变纳米颗粒的表面性质。纳米粒子的大小、纳米流体的类型和纳米粒子的浓度通常决定了超声的最佳时间。SHAHSAVAR[15]等制备了含Fe3O4和碳纳米管纳米颗粒的混合纳米流体。结果表明，超声时间对纳米流体的导热系数有一定的影响，在最佳超声时间后，导热系数先增大后减小。TIWARI[16]采用两步法制备了CeO2-MWCNTS/水基，对其进行超声分散处理，结果表明超声时间在" " 90 min时热导率具有最高值，超出这个时间会降低热导率。APARNA[17]等制备了不同纳米颗粒配比的Al2O3-Ag/水基混合纳米流体，考察了超声处理时间对热导率的影响，发现以2 h的超声处理时间为最佳，超过2 h则热导率增加缓慢，随后降低。超声分散时间对导热系数的影响如图1所示。

2.1.2" 表面活性剂对混合纳米流体热导率的影响

添加表面活性剂（也称为分散剂）是通过影响混合物的表面特性来稳定纳米流体的一种经济、简单的方法。TIWARI[16]等研究了表面活性剂的混合比对制备的CeO2-MWCNTS/水基混合纳米流体的热导率的影响。实验发现，表面活性剂的添加量对制备的纳米流体的导热系数有影响。导热系数在表面活性剂达到3∶2的混合比时出现最大值，在此之后，进一步添加表面活性剂会导致导热率降低。LEONG[18]等制备了Cu-TiO2水基混合纳米流体，结果表明混合纳米流体的热导率随着表面活性剂的添加而增高，且表面活性剂的添加对热导率的增加存在最优值。MA[19]等研究了不同质量浓度和温度的表面活性剂SDS、PVP和CTAB对Al2O3-CuO/水基和Al2O3-TiO2/水基混合纳米流体的影响，研究表明存在表面活性剂的最佳值，这个值称为临界胶束浓度。表面活性剂用量对导热系数影响如图2所示。

2.2" 温度与浓度对混合纳米流体热导率的影响

当混合纳米流体的温度增加时，纳米颗粒所拥有的能量增加，这导致纳米颗粒快速而随机的移动，增加了它们传递热量的能力，这种现象被称为布朗运动。而随着纳米粒子浓度的增加，热导率增加的机理可以解释为低温下的渗流效应和高温下的渗流效应与布朗运动的结合。值得注意的是，纳米粒子的过量添加可能会导致纳米粒子的团聚和沉降，从而降低热导率。因此，在实践中，最好是在有限的质量分数（1%）下使用纳米粒子。

ASADI[20]等实验研究证实在25～50 ℃和质量分数0.125%～1.5%范围内，Al2O3-MWCNTS/导热油混合纳米流体的导热系数随温度和质量分数的增加而增加。PARSIAN[21]等研究了Al2O3-Cu/EG混合纳米流体热导率，结果表明混合纳米流体的导热系数随浓度和温度的升高呈非线性增加。ESFAHANI[22]等研究了温度和浓度变化对ZnO-Ag/水基混合纳米流体导热性能的影响，结果表明，由于布朗运动热导率随温度升高而增加，在较高温度下浓度的增加对热导率的增加有更大的影响。在低浓度时，温度对导热系数的影响较弱。SAFI[23]等人合成了纳米流体（TiO2-MWCNTS/水），研究表明导热系数随着浓度的提高而增加。导热系数在温度增加到52 ℃时达到最大值，当温度进一步升高时，导热系数降低。李龙[24]等通过两步法制备了质量分数分别为1.0%、2.0%、3.0%、5.0%的CuO-ZnO混合纳米流体，以乙二醇和去离子水为基液。结果表明导热系数随混合纳米流体的质量分数和温度的升高而增大。贾壮壮[25]等同样利用两步法制备了体积分数0.001%～0.1%的Al2O3/H2O、CuO/H2O 纳米流体以及CuO-Al2O3/H2O混合纳米流体，并进行池内沸腾换热实验。结果表明，混合纳米流体沸腾换热曲线与单纳米流体趋势一致，随着纳米流体体积分数的增加而增加。温度对导热系数的影响如图3所示。

2.3" 颗粒混合比对混合纳米流体热导率的影响

混合纳米流体粒子比会对热物性参数产生明显的影响。但是，目前关于粒子比对混合纳米流体的热导率影响的研究相对较少，纳米颗粒间的协同作用使其对热物性参数的影响十分复杂，尚没有统一理论计算最佳粒子比。

APARNA[17]等研究了Al2O3-Ag混合纳米流体的导热性能。研究考虑了3种不同的Al2O3-Ag混合比（30∶70、50∶50、70∶30），发现Al2O3-Ag" " （50∶50）比其他混合比具有更好的热导率。DALKILIÇ[26]等研究发现，当体积分数为1.0%、温度为60 ℃时，CNT- SiO2的掺混比例为80%∶20%，导热系数提高了26.29%。MOLDOVEANU[27-28]等对以水为基液的Al2O3-SiO2和Al2O3-TiO2混合纳米流体的不同粒子浓度比的导热性进行了研究。他们的研究表明，两种混合纳米流体的导热系数在20～50 ℃温度范围时，最佳颗粒混合比 0.50%（体积分数） Al2O3+2.5%（体积分数）SiO2的导热系数最高增强达23.61%，0.50%（体积分数）Al2O3+2.5%（体积分数）TiO2的导热系数最高增强达19.2%。

马明琰[29]等采用两步法制备Al2O3-CuO/乙二" 醇-水混合纳米流体，实验温度控制在20～60 ℃。Al2O3与 CuO 颗粒体积比为20∶80～80∶20。结果表明，导热系数均随着氧化铝颗粒含量的增大而增大，在粒子比为50∶50时导热系数出现最低值。

2.4" 基液对混合纳米流体热导率的影响

在混合纳米流体中有两种介质（固体纳米颗粒和液基流体）负责传热。因此，热导率取决于这两种介质的传热能力。在文献中有大量关于纳米颗粒对混合纳米流体的影响的报告，但关于基液对混合纳米流体热导率的影响的报告非常有限。

SATI[30]等开发了几种基于不同纳米复合材料的DI（去离子水）和EG（乙二醇）杂化纳米流体，研究了热导率随温度的变化。对于CuO-GC/DI混合纳米流体，在50 ℃温度下，最大热导率提高为26%。对于ZnO-GC/EG混合纳米流体，热导率的最大增强率为21.2%。KANNAIYAN[31]等比较了纯水与乙二醇-水，结果纯水的导热系数更高，这是因为水比水-乙二醇体系具有更好的导热性。SUNDAR[32]等测定了几种GO-Co3O4基HyNF的导热系数。结果表明热导率高的基液的导热系数更高。然而，在SUNDAR[33]等的另一项研究中，基液的导热系数没有影响混合纳米流体的导热系数的变化趋势。

3" 结 论

1）混合纳米流体的制备方法主要为一步法和两步法。一步法得到的纳米流体稳定性更好，缺点是成本高、造价昂贵。采用两步法的优点是便于大规模生产和降低成本，缺点是纳米粒子容易聚集，稳定性差。

2）超声分散时间可以改变混合纳米流体的热导率，最佳超声时间受到纳米粒子种类，基液等影响。表面活性剂可以影响混合纳米流体的热导率。

3）大量的文献表明，混合纳米流体的导热系数随着温度和浓度的提升呈非线性增加，这是由于提升了粒子间的碰撞率，进而增强了传热性能。但是这个提升存在上限，当温度和浓度超过这个上限，热导率就会下降。

4）颗粒混合比对混合纳米流体的热物性参数有较大影响，对于不同种纳米粒子存在不同的最佳" 配比。

5）关于混合纳米流体的基液对其导热系数的影响的相关研究比较少，目前的研究大部分通过对比不同种类基液的导热系数来衡量对混合纳米流体的影响，水基混合纳米流体的热导率大于乙二醇基混合纳米流体。

参考文献：

［1］POURRAJAB R， NOGHREHABADI A， BEHBAHANI M，et al. An efficient enhancement in thermal conductivity of water-based hybrid nanofluid containing MWCNTs-COOH and Ag nanoparticles： experimental study[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry， 2021， 143（5）： 3331-3343.

［2］席洋洋，高玉国，司爱国. 杂化纳米流体的制备及热导率研究 [J]. 汽车实用技术，2019（5）：147-149.

［3］TURCU A，DARABONT A，NAN N，et al. New polypyrrole-multiwall carbon nanotubes hybrid materials[J]. J. Optoelectron. Adv. Mater.， 2006 （8） ：643-647.

［4］JANA S，SALEHI-KHOJIN A，ZHONG W. Enhancement of fluid thermal conductivity by the additionof single and hybrid nano-additives[J]. Thermochimica Acta， 2007， 462（1）： 45-55．

［5］ABEROUMAND S，JAFARIMOGHADDAM A.Tungsten （III） oxide （WO3）-silver/transformeroil hybrid nanofluid： preparation， stability， thermalconductivity and dielectric strength[J].Alexandria Engineering Journal， 2018， 57（1）： 169-174.

［6］EASTMAN S，CHOI S，LI W，et al.Anomalously increased effective thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles[J]. Appl.Phys.， 2001， 78 ：718-720.

［7］ZHU H，LIN Y，YIN Y. A novel one-step chemical method for prepara- tion of copper nanofluids[J]. Journal of Colloid and Interface Science， 2004， 277（1）： 100-103.

［8］MUNKHBAYAR B，TANSHEN M，JEOUN J，et al. Surfactant-free dispersion of silver nanoparticles intomwcnt-aqueous Nanofluids prepared by one-step techniqueand their thermal characteristics[J]. Ceramics International， 2013， 39（6）： 6415-6425.

［9］SOLTANI O，AKBARI M. Effects of Temperature and particles concentration on the dynamicviscosity of MgO-MWCNT/ethylene glycol Hybridnanofluid： experimental study[J]. Physica E： Low-di-mensional Systems and Nanostructures， 2016， 84： 1-7.

［10］MINEA A A. Challenges in hybrid nanofluids behavior in turbulent flow： recent researchand numerical comparison[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2017， 71： 1-9.

［11］SURESH S，VENKITARAJ K，SELVAKUMAR P， et al. Synthesis of Al2O3-Cu/water hybrid Nanofluids using two step method and itsthermo physical properties[J]. Colloids and Surfaces A： Physicochemical and Engineering Aspects， 2011， 388（1）： 41-48.

［12］FARBOD M， AHANGARPOUR A. Improved thermal conductivity of Ag decorated carbon nanotubes water based Nanofluids[J]. Physics Letters A， 2016， 380（48）： 4044-4048.

［13］林清宇，刘鹏辉，石卫军. 纳米颗粒粒径对内置扭带螺旋管传热特性的影响[J]. 当代化工， 2017，46（5）：905-908.

［14］郑俨钊，雷建永，王桥，等.纳米流体研究综述[J].当代化工，2021，50（3）：724-728.

［15］SHAHSAVAR A， SALIMPOUR M， SAGHAFIAN M，et al. An experimental study on the effect of ultrasonication on thermal conductivity of Ferrofluid loaded with carbon nanotubes[J]. Thermochimica Acta， 2015， 617： 102-110.

［16］TIWARI A K，PANDYA N S，SAID Z，et al. 4s Consideration （synthesis， sonication， surfactant， stability） for thethermal conductivity of CeO2 with MWCNT and water based Hybridnanofluid： an experimental assessment[J]. Colloids and Surfaces A： Physicochemical and Engineering Aspects， 2021， 610： 125918.

［17］APARNA Z， MICHAEL M，PABI S，et al. Thermal conductivity of aqueous Al2O3/Ag hybrid nanofluid at differenttemperatures and volume concentrations： an experimental investigationand develop- ment of new correlation function[J]. Powder Technology， 2019， 343： 714-722.

［18］LEONG K Y，RAZALI I，AHMAD K，et al. Thermal conductivity of an ethylene glycol/water-based nanofluid withcopper-titanium dioxide nanoparticles： an experimental approach[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer，2018， 90： 23-28.

［19］MA M， ZHAI Y，YAO P，et al. Effect of surfactant on the rheological behavior andthermophysical properties of hybrid nanofluids[J]. Powder Technology， 2021， 379： 373-383.

［20］ASADI A， ASADI M， REZANIAKOLAEI A，et al. Heat transfer efficiency of Al2O3-mwcntthermal oil hybrid nanofluid[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2018， 117： 474-486.

［21］POURRAJAB R， NOGHREHABADI A， BEHBAHANI M，et al. An efficient enhancement in thermal conductivity of water-based hybrid nanofluid containing MWCNTs-COOH and Ag nanoparticles： experimental study[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry， 2021， 143（5）： 3331-3343.

［22］ESFAHANI N N， TOGHRAIE D， AFRAND M. A new correlation for predicting the thermal conductivity of ZnO-Ag（50%-50%）/water hybrid nanofluid： an experimental study[J]. Powder Technology， 2018， 323： 367-373.

［23］SATI P， SHENDE R C， RAMAPRABHU S. An experimental study on thermal conductivity enhancement of DI water-EG based ZnO（CuO）/graphene wrapped carbon nanotubes nanofluids[J]. Thermochimica Acta， 2018， 666： 75-81.

［24］李龙，王江，翟玉玲，等. CuO-ZnO混合纳米流体导热系数影响分析 [J]. 工业加热，2019，48（3）：38-40.

［25］贾壮壮，罗竹梅，卿山，等. CuO-Al2O3-H2O纳米流体池沸腾传热实验及分析[J]. 化学工程，2020，48（5）：42-47.

［26］DALK Y. Experimental study on the thermal conductivity of water-based CNT-SiO2 hybrid nanofluids[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer， 2018， 99： 18-25.

［27］MOLDOVEANU G M， MINEA A A， HUMINIC G，et al. Al2O3/TiO2 hybrid nanofluids thermal conductivity[J]. Journal of thermal analysis and calorimetry， 2019， 137（2）： 583-592.

［28］MOLDOVEANU G M， HUMINIC G， MINEA A A， et al. Experimental study on thermal conductivity of stabilized Al2O3 and SiO2 nanofluids and their hybrid[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2018， 127： 450-457.

［29］马明琰，翟玉玲，李法社，等. 混合纳米流体粒子比对热物性参数的影响及性能分析[J]. 昆明理工大学学报（自然科学版），2021，46（2）：29-36.

［30］SATI P， SHENDE R C， RAMAPRABHU S. An experimental study on thermal conductivity enhancement of DI water-EG based ZnO（CuO）/graphene wrapped carbon nanotubes nanofluids[J]. Thermochimica Acta， 2018， 666： 75-81.

［31］KANNAIYAN S， BOOBALAN C， UMASANKARAN A， et al. Comparison of experimental and calculated thermophysical properties of alumina/cupric oxide hybrid nanofluids[J]. Journal of Molecular Liquids， 2017， 244： 469-477.

［32］SUNDAR L S， SINGH M K， FERRO M， et al. Experimental investigation of the thermal transport properties of graphene oxide/Co3O4 hybrid nanofluids[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer， 2017， 84： 1-10.

［33］SUNDAR L S， RAMANA E V， GRAA M， et al. Nanodiamond-Fe3O4 nanofluids： Preparation and measurement of viscosity， electrical and thermal conductivities[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer， 2016， 73： 62-74.

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