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关于TiO2纳米流体的传热特性
LiuYang；KaiDu
东南大学能源与环境学院，教育部能源热转换与控制重点实验室，南京
东南大学能源与环境学院江苏省太阳能科技重点实验室，南京
摘 要：纳米流体由于其稳定性、导热、热对流和沸腾换热等方面的优异性能，已经逐渐被用作热力学流体。在热物性、潜在效益和应用等方面的探索不断的扩大。大量的文献综述试图对各种纳米流体的制备、性能、传热和应用性能等方面进行全面的综述，但由于相关文献成千上万，综述变得相当困难。因此，对某一纳米流体的某一方面进行选择性、全面性的总结反而具有相当的价值。本文综述了二氧化钛纳米流体良好的分散性、化学稳定性和无毒性等综合传热特性，它被认为是最接近实际应用的纳米流体之一。最后，本文总结了未来研究面临的挑战和机遇。希望本文的综述能够全面展示TiO2纳米流体传热应用的研究进展。
关键词：纳米流体，预备，导热系数，热力对流，沸腾传热
1介绍
近三十年来，纳米流体作为新一代超级有效介质得到了迅速发展，为提高传统液体[1]的传热系数提供了一种新的途径。特别是近十年来，纳米流体的研究呈现出爆炸式的发展趋势。纳米流体的研究领域包括稳定性分析、物理性质测量、强制或自然对流传热、沸腾传热、传质、工程应用以及一些理论分析或模型的发展。
除了研究方面，纳米流体的类型也得到了较大的扩展。根据纳米颗粒热性能,现有的类型的纳米粒子悬浮在液体可以分类如下:（1）石墨烯、碳纳米管、金刚石等导热系数最高的先进结构材料（2）一些导热系数高的金属单件，如：Au、Ag、Cu、Al、Fe等（3）一些金属或非金属化合物，如：CuO、Al2O3、TiO2、ZnO2、SiC、SiO2等。由于纳米流体的研究方向和颗粒类型的多样性，对各种纳米流体进行综合评述变得越来越困难。另一方面，对某一纳米流体的某一特定领域进行更有选择性的综述，对于全面了解某一特定方面的研究现状具有相当大的价值。
选择合适的纳米流体是实现纳米流体技术在热流体系统传热传质过程中可持续应用的前提。综合分析比较发现，TiO2纳米流体虽然很常见，但一些珍贵的材料，如CNTs或石墨烯基纳米流体相比，导热系数并不是很高，但与其他类型相比，TiO2纳米流体具有一些特殊的特性和独特的点。认为TiO2是最接近实际应用的材料之一，相比于其他材料，TiO2具有更全面可靠的优势。首先，TiO2在化妆品、印刷、净化等领域得到了广泛的应用，没有任何毒性，这是大规模应用的必要条件[2]。其次，TiO2纳米颗粒已大规模工业化生产，经济适用于热流体领域的大批量应用[2]。第三，TiO2纳米颗粒具有优异的化学稳定性、耐酸碱腐蚀和耐高温性能。第四，在已有的大量文献中，TiO2纳米颗粒在极性基液和非极性基液中均表现出良好的分散性，可以通过添加一些特殊的分散剂来进一步改善。杨等人[3]在他们制备的20种氨水基纳米流体中发现，TiO2纳米流体是不含表面活性剂的最稳定纳米流体。Padmanabhan等人[4]发现TiO2-R134a纳米制冷剂在使用后6个月存储保持稳定[5]。Ghadimi等人通过使用少量SDS作为分散剂，发现TiO2-水纳米流体可以保持稳定一年。鉴于以上优点，本文选择TiO2纳米流体作为研究对象，旨在对TiO2纳米流体在导热、热对流和沸腾传热方面的研究进展进行专门而全面的展示。
2 二氧化钛纳米流体的制备
纳米流体的制备是其传热应用的前提。一般来说，制备纳米流体的方法主要有一步法和两步法。一步法是在纳米颗粒的制备过程中，将纳米颗粒同时分散到基液中。而在两步法中，纳米颗粒的制备和分散过程是分开进行的。一步法冷却液或化学试剂溶液通常不是纳米流体(如水、油或制冷剂等)所需要的基液。因此一步法并不十分适合制备传热纳米流体，但最适用于制备干燥纳米颗粒。另一方面，由于TiO2纳米颗粒的合成技术已经达到工业生产规模，两步法在制备用于传热的TiO2纳米流体中得到了广泛的应用。
两步法制备纳米流体的典型步骤如图所示。由于纳米尺度下粒子的高强度相互作用力、高比表面积和高表面活性，纳米粒子总是存在着强烈的碰撞和聚集趋势。因此, 一般来说，为了获得更好的稳定性和有效性，需要采用一些额外的分散方法。
图一 纳米流体制备中典型的两步法
表一 两步法制备二氧化钛纳米流体研究综述
|
研究人员 |
基液 |
颗粒大小（nm） |
TiO2含量（%） |
分散剂 |
|
物理方式 |
稳定时间 |
|
Mo等[6] |
水 |
15 |
0.7wc% |
SDBS,PVP,CTAB |
8 |
声波降解法 搅拌 |
3天 |
|
Fedele等[7] |
水 |
72-76 |
1-35wc% |
乙酸 |
1.86-3.07 |
声波降解法 |
35天 |
|
Liu等[8] |
水 |
25 |
3wc% |
PEG1000 |
4-5,9-10 |
超声波振动 |
168小时 |
|
Kim等[9] |
水，EG |
10/34/70 |
1-3vol% |
SDS |
- |
声波降解法 搅拌 |
- |
|
Mushed等[10] |
水 |
15,10*40 |
0-0.55 |
油酸,CTAB |
6.8-6.2 |
- |
|
|
Ghadimi等[5] |
水 |
25 |
0.1wc% |
SDS |
5 |
超声波振动 |
1年 |
|
Kayhani等[11] |
水 |
15 |
0.1-2vol% |
HMDS |
- |
超声波振动 |
几天 |
|
Murshed等[12] |
EG |
15,10*40 |
1-5 |
CTAB |
- |
声波降解法 |
- |
|
Saleh等[13] |
水 |
33 |
0.55-5 |
CTAB,SDS,Span80 |
- |
声波降解法 搅拌 |
- |
|
Peng等[14] |
R141b |
25,40,60,100 |
25-500mg/l |
SDBS,CTAB,NP-10 |
- |
声波降解法 |
- |
|
Yang等[15] |
氨水 |
15 |
1-4vol% |
PEG1000 |
- |
声波降解法 搅拌 |
- |
|
Megatif等[16] |
水 |
27 |
0.1-0.2wc% |
SDBS |
- |
声波降解法 |
- |
|
Tazarv等[17] |
R141b |
30 |
0.01-0.03vol% |
CTAB |
- |
超声破碎法 搅拌 |
一周 |
|
Bobbo等[18] |
水 |
21 |
0.01-1wc% |
PEG800 |
- |
高压均质机 |
18天 |
|
Setia等[19] |
水 |
- |
0.5-0.75 |
- |
3 |
声波降解法 |
- |
|
He等[20] |
水 |
20 |
0.24-1.18vol% |
- |
11 |
声波降解法 |
几个月 |
|
Pak和cho等[21] |
水 |
27 |
1-10vol% |
无 |
10 |
搅拌 |
5-6天 |
|
Valdli等[22] |
水 |
25 |
0.5-1.5vol% |
无 |
11 |
超声振动器 |
24小时 |
|
Muthusamy等[23] |
EG |
30-50 |
0.5-1.5vol% |
无 |
8.2-8.5 |
机械搅拌 |
超过三周 |
|
Sen等[24] |
电解质水溶液 |
25 |
20-50wc% |
无 |
11 |
超声波清洗器 |
超过一个月 |
|
Trisaksri等[25] |
R141b |
21 |
0.01-0.05vol% |
- |
- |
超声波振动 |
lt;
资料编号：[3263] |
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