雜化納米流體的制備及熱導(dǎo)率研究

席洋洋，高玉國(guó)，司愛國(guó)

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雜化納米流體的制備及熱導(dǎo)率研究

席洋洋，高玉國(guó)*，司愛國(guó)

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450000）

近年來(lái)，隨著人們對(duì)納米流體作為傳熱流體的興趣和需求的增加，納米流體的研究也越來(lái)越多，雜化納米流體作為新型納米流體也逐漸進(jìn)入研究者的視野。導(dǎo)熱性能是研究納米流體的關(guān)鍵，關(guān)于影響熱導(dǎo)率的參數(shù)對(duì)雜化納米流體熱導(dǎo)率的影響，文獻(xiàn)中有許多不統(tǒng)一的結(jié)果。文章對(duì)雜化納米流體的制備及其熱導(dǎo)率的研究進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述，討論了納米粒子類型、溫度、納米粒子濃度等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響。文章還綜述了不同研究中提出的預(yù)測(cè)雜化納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)學(xué)模型。

雜化納米流體；制備；熱導(dǎo)率；數(shù)學(xué)模型

引言

納米流體由具有納米尺寸顆粒的流體組成。設(shè)備的持續(xù)小型化和使用微通道和鰭片等擴(kuò)展表面的熱負(fù)荷控制技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了極限。因此，在高通量應(yīng)用中管理這些熱負(fù)荷是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。同時(shí)水和乙二醇等傳熱流體的導(dǎo)熱性較低，傳熱能力有限。為了提高傳統(tǒng)流體的傳熱能力，研究者將納米顆粒加入基液中，使其傳熱性能得到顯著提高。目前大部分納米流體都是由一種納米顆粒與基液形成的單一納米流體，在實(shí)際操作中，一種材料不可能具有為特定目的而必須具備的所有積極特性。為了進(jìn)一步改善單一納米流體的特性，使其具有一些更有利的性質(zhì)，雜化納米流體應(yīng)運(yùn)而生，人工合成的混合納米材料具有單組分或單材料所不具備的優(yōu)異性能。與單組分納米流體相比，雜化納米流體具有更好的流變特性、物理強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性等性能，此外，由于協(xié)同效應(yīng)，這些雜化納米流體與單一納米流體相比具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)[4]。近年來(lái)，納米復(fù)合材料的制備取得了很大的進(jìn)展，研究者們對(duì)納米雜化流體制備及其特性進(jìn)行了深入研究。本文總結(jié)了近幾年國(guó)內(nèi)外雜化納米流體的研究情況，旨在為以后的研究提供一定的幫助。

1 雜化納米流體的制備

了解到雜化納米流體可能產(chǎn)生的優(yōu)勢(shì)和廣闊前景之后，研究人員嘗試將各種納米粒子雜化添加到基液中制得雜化納米流體。但雜化納米流體的制備過(guò)程不盡相同，而納米流體的換熱性能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，穩(wěn)定劑的使用，這些因素都與納米流體的制備過(guò)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。同時(shí)制備雜化納米流體的方法有兩種：(a)將兩種或兩種以上的納米顆粒直接雜化在基液中；(b)將雜化納米顆粒(納米復(fù)合材料)分散在基液中。以下是一些研究人員關(guān)于雜化納米流體制備的研究結(jié)果。

Balla 等[1]使用兩步法，先合成平均尺寸為50nm的CuO-Cu混合納米粒子，后將它們懸浮在基液中，制備了不同的雜化納米流體。為了確保納米顆粒在基液中很好的雜化和分散，采用了超聲分散，在合成過(guò)程中沒(méi)有使用添加劑和穩(wěn)定劑。

Munkhbayar等[2]利用一步法制備了Ag/MWCNT雜化納米流體。首先，采用濕磨法制備了MWCNTs/水納米流體。采用脈沖線蒸發(fā)法制備納米銀，將制備的納米銀分散在MWCNTs/水納米流體中。最后，獲得了基于水（去離子）的Ag / MWCNT的納米流體。

Jana等[3]通過(guò)將不同比例的CNTs與水雜化，合成了CNT懸浮液。之后，將金納米粒子(AuNP)與去離子水雜化形成AuNP懸浮液。將這些AuNP懸浮液與不同類型的CNTs懸浮液雜化，形成雜化CNT-AuNP懸浮液。為提高納米顆粒在水中的分散性，采用超聲波清洗儀。

2 雜化納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的研究進(jìn)展

導(dǎo)熱系數(shù)是衡量流體強(qiáng)化換熱性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，提高液體的導(dǎo)熱系數(shù)也是研究納米流體的首要目的。關(guān)于雜化納米流體導(dǎo)熱系數(shù)，研究人員也做了大量的研究。

Farbod和Ahangarpour[4]制備了含有被銀納米顆粒修飾的MWCNTs的雜化納米流體。結(jié)果表明，MWCNTs-Ag納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)比未修飾的納米流體大0.16-8.02%。Baghbanzadeh 等[5]制備了水基SiO2/MWCNT雜化納米流體，發(fā)現(xiàn)雜化納米流體熱導(dǎo)率的增加介于兩種單一納米流體熱導(dǎo)率的增加之間。Jana等[3]制備了水基CNT-AuNP雜化納米流體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雜化納米流體不能很好的提高熱導(dǎo)率，因?yàn)閮煞N納米粒子之間沒(méi)有積極的協(xié)同作用。

3 影響雜化納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的因素

3.1 溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

溫度顯著影響雜化納米流體的導(dǎo)熱性。通過(guò)提高溫度來(lái)增強(qiáng)顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)，這又提高了導(dǎo)熱性。幾乎所有的研究人員都同意通過(guò)提高溫度來(lái)提高導(dǎo)熱系數(shù)。

Esfahani等[6]考察了體積分?jǐn)?shù)和溫度對(duì)ZnO-Ag /水雜化納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的影響。體積分?jǐn)?shù)為2％時(shí)，當(dāng)溫度從25℃升至50℃，雜化納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)從0.663增加到0.788W/ m K。Hamid 等[7][8]通過(guò)改變溫度來(lái)研究（SiO2-TiO2 /水和乙二醇）的熱導(dǎo)率增強(qiáng)。在[8]中獲得了13.8％的增強(qiáng)，通過(guò)將溫度從70℃升高到80℃，在[7]中進(jìn)一步提高到16％。

然而，高溫會(huì)降低由表面活性劑產(chǎn)生的納米顆粒之間的排斥力而產(chǎn)生聚集，從而導(dǎo)致產(chǎn)生具有低導(dǎo)熱率的較不穩(wěn)定的雜化物。Farbod和Ahangarpour[4]通過(guò)將溫度升高來(lái)提高（Ag-MWCNTs）的導(dǎo)熱率，但溫度高于40℃之后會(huì)導(dǎo)致納米流體的導(dǎo)熱率降低。

3.2 納米粒子濃度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

納米粒子的濃度與熱導(dǎo)率呈線性關(guān)系。這種趨勢(shì)可歸因于納米添加劑的高導(dǎo)熱性。在相同溫度（50℃）下，納米粒子由體積分?jǐn)?shù)從0.125增加到2％，（ZnO-Ag）雜化納米流體的熱導(dǎo)率從0.649增加到0.788W/m K[6]。Hamid等[8][9]實(shí)驗(yàn)得出(TiO2-SiO2/水和乙二醇)雜化納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)在濃度為1%，導(dǎo)熱系數(shù)增強(qiáng)了13.8%[9]，在相同溫度下，濃度提高到3%，雜化納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)一步提高了22.1%[8]。

4 預(yù)測(cè)雜化納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的模型的研究

表1 雜化納米流體導(dǎo)熱系數(shù)模型及最大偏差

φ：體積分?jǐn)?shù)/%；T：溫度/℃

不同的研究者在一定的溫度和納米顆粒濃度范圍內(nèi)建立了預(yù)測(cè)特定雜化納米流體導(dǎo)熱系數(shù)模型。熱導(dǎo)率預(yù)測(cè)的不同模型及其最大偏差如表1所示。

5 結(jié)論

①雜化納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)比基液的導(dǎo)熱系數(shù)都要高，且雜化納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度和納米粒子濃度的增加而增加。但對(duì)熱導(dǎo)率的增強(qiáng)，溫度和納米粒子濃度存在一個(gè)最大值，溫度和納米粒子濃度超過(guò)最大值之后，會(huì)觀察到雜化納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的減小。

②大多數(shù)雜化納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)都比單一納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)有一定的增加，但也有雜化納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)沒(méi)有單一納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)大，原因在于雜化的兩種納米顆粒沒(méi)有很好的協(xié)同作用，這是在今后的研究中需要注意的問(wèn)題。

③雜化納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)測(cè)模型根據(jù)添加的納米粒子的種類而有很大的差別，為了更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)雜化納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)，還需要進(jìn)一步的工作來(lái)建立模型。

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Preparation And Thermal Conductivity Of Hybrid Nanofluids

Xi Yangyang, Gao Yuguo*, Si Aiguo

( North China University of Water Resources and Electric Power, Henan Zhengzhou 450000 )

In recent years, with the increasing interest and demand for nanofluids as heat transfer fluids, the research of nanofluids has become more and more. Hybrid nanofluids have gradually entered the field of researchers as new nanofluids. Thermal conductivity is the key to the study of nanofluids. There are many inconsistent results in the literature on the effects of parameters affecting thermal conductivity on the thermal conductivity of hybrid nanofluids. In this paper, the preparation of hybrid nanofluids and their thermal conductivity are reviewed in the literature. The influence of key parameters such as nanoparticle type, temperature and nanoparticle concentration on thermal conductivity is discussed. This paper also reviews the mathematical models for predicting the thermal conductivity of hybrid nanofluids proposed in different studies.

hybrid nanofluid; preparation; thermal conductivity; mathematical model

U462

A

1671-7988(2019)05-147-03

U462

A

1671-7988(2019)05-147-03

席洋洋（1993-）男，華北水利水電大學(xué)，碩士研究生，研究方向：納米流體的流動(dòng)與傳熱。

高玉國(guó)（1978-），博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：清潔能源與新材料的理論與應(yīng)用研究。司愛國(guó) (1968-)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：車輛工程。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51306060）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.045