纳米流体在换热器领域的研究进展

发布时间：2022-10-05 10:03 热度：

　　庞 宇， 翟郑佳， 王 进*

　　( 河北工业大学能源与环境工程学院， 天津 300401)

　　摘要: 回顾了纳米流体在板式换热器、管壳式换热器、热管换热器的研究现状， 介绍了学者应用纳米流体作为换热器工质的实验工作和数值计算的主要成果。总结了目前研究所存在的主要问题， 并对未来发展方向进行了展望。

　　关键词: 纳米流体; 换热器; 强化传热

　　中图分类号: TK11 文献标志码: A 文章编号: 0253-4320( 2018) 06-0043-05DOI: 10.16606 /j.cnki.issn 0253-4320.2018.06.010Research progress in application of nanofluids in heat exchanger fieldPANG Yu， ZHAI Zheng-jia， WANG Jin*( School of Energy and Environmental Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China)

　　Abstract: In this paper， the current study situation in applying nanofluids in plate heat exchangers， shell-tube heatexchangers and heat-pipe heat exchangers are discussed.The experimental works and the major simulation results in usingnanofluids as the working medium for heat exchanger are reviewed.The main existing problems in current research aresummarized and future development trends are also expected.

　　Key words: nanofluid; heat exchanger; enhanced heat transfer

　　换热器作为工业生产中不可或缺的设备， 广泛应用在化工、电子、动力等工业生产中。由于科技的发展以及日益突出的能源问题， 换热器的传热负荷逐渐增大， 在某些工况下， 传统的换热工质已经难以满足需求。将纳米颗粒添加到传统工质中可以有效地提升换热能力和解决使用传统工质面临的问题。纳米流体由于优良的传热性能， 受到了国内外学者的广泛关注， 包括被用于换热器领域。本文中主要介绍了纳米流体在换热器领域的研究现状， 并提出了现存问题及发展展望。

　　1 纳米流体

　　1. 1 纳米流体简介

　　自 1995 年纳米流体的概念第一次被提出， 20多年来， 国内外的学者对纳米流体做了大量的研究，发现与传统换热工质相比， 纳米流体主要有以下几个优势[1] 。

　　( 1) 相较于传统换热流体， 纳米流体可以显著提升换热效率， 改善换热性能， 降低运行成本。

　　( 2) 纳米粒子的小尺寸效应， 不易在流道内产生堵塞， 且可以保持长时间稳定， 为发展微尺度换热提供了条件。

　　( 3) 由于纳米流体的高导热性能， 可以缩小换热设备的体积， 促进换热设备向小型化发展。

　　1. 2 纳米流体的制备及其稳定性

　　1. 2. 1 纳米流体的制备

　　目前， 纳米流体的制备方法主要分为“一步法”和“两步法”2 种。一步法是指在制备纳米颗粒的同时制备纳米流体。一步法制备的纳米流体粒子纯度高、分散性好、悬浮稳定性高， 且不必考虑纳米粒子的存放等问题，对于存放在空气中易变质的材料适合采用此种方法。然而， 一步法的成本昂贵， 不适合大规模制造。两步法是先制备纳米颗粒， 再制备纳米流体。两步法制备纳米流体程序简单， 成本较低， 操作方便， 几乎适用于所有种类纳米流体的制备。但是两步法所得到的悬浮液并不具备高稳定性， 纳米颗粒在介质中的分散还需借助一定的分散手段， 如添加分散剂、改变悬浮液 pH、加表面活性剂等。

　　1. 2. 2 纳米流体的稳定性

　　纳米流体的稳定性是纳米流体制备成功与否的关键， 影响纳米流体稳定性的主要因素有 pH、分散剂种类等。

　　( 1) pH 的影响

　　pH 对于纳米流体的稳定性有着显著的作用， 是制备稳定的纳米流体的关键。不同 pH 下颗粒表面吸附负离子的数量不同， 从而带电状况不同， 这直接影响粒 子 间 的 静 电 斥 力。彭小飞等[2] 通 过制备CuO-DW( 分散剂为 SDBS) 和 Al2O3-DW( 分散剂为PEG) 纳米流体， 得到 CuO-DW、Al2O3-DW 的 pH 分别为 9. 1、5. 2。

　　2 纳米流体在多种换热器中的应用研究

　　2. 1 管壳式换热器

　　换热器种类繁多， 其中管壳式使用最广， 广泛应用于热电、能源、电子等领域， 优点是能耐高温高压，使用寿命长， 制造相对简单， 应用领域广， 生产成本低， 清洗也方便。因此， 国内外众多学者将纳米流体作为介质研究其在管壳式换热器的换热性能。

　　研究纳米流体在换热器内的换热特性主要依靠实验研究和数值模拟 2 种方法。在实验研究方面， Farajollahi 等[4] 在管壳式换热器中对水基 Al2O3 和 TiO2 纳米流体进行了热传递的实验研究。实验结果表明， 纳米流体的传热特性显著提高 Pe 数; 在相同的 Pe 数下， 纳米流体在管壳式换热器的换热效率比纯水要高。Shahrul 等[5]研究了不同质量流量的纳米流体( ZnO 纳米流体、CuO 纳米流体、Fe3O4 纳米流体、TiO2 纳米流体和Al2O3 纳米流体) 在管壳式热交换器中的换热效果，发现通过使用金属氧化物纳米流体可以提高壳管式换热器的换热效率， 并且通过保持壳侧流体的较高质量流量和管侧流体的较低质量流量可以实现更好的换热性能。

　　田洁[6] 将 CMC 水溶液和质量分数0. 5%的 MWCNTs-CMC 非牛顿纳米流体分别加在螺旋隔板椭圆管换热器中的壳程和管程中进行了传热实 验 研 究， 实 验 结 果 表 明， 质 量 分 数 0. 5%MWCNTs-CMC 非牛顿纳米流体相比基液， 传热能力有着显著的提高; 对比了同一种纳米流体走壳程和管程的传热性能， 发现走壳程的传热能力比走管程有明显的提高， 且在相同流量下热负荷和传热流阻比都比管程大。Kumar 等[7] 在管壳式换热器中研究了 Fe2O3-水和 Fe2O3 -EG 纳米流体的传热特性，结果表明， 将纳米颗粒添加到基础流体中使基础流体的传热特性和导热性显著增强; 随着纳米颗粒浓度的增加， 换热器的传热系数显著提高; 在湍流状态下， 纳米流 体 的 压 降 高 于 基 础 流 体。Barzegarian等[8] 研究 Al2O3 -水纳米流体对管壳式热交换器的热性能的影响。实验结果表明， 努塞尔数和传热系数随着纳米颗粒体积浓度的增加而增加; 在压降方面， 使用纳米流体压降几乎没有变化。

　　3 结论

　　主要介绍了纳米流体在换热器中的应用， 分别总结了纳米流体在板式换热器、管壳式换热器、热管换热器、微通道换热器 4 种换热器中的研究进展。大部分成果表明， 纳米流体能够提升换热器的换热效率。

　　尽管众多学者对影响纳米流体在换热器的传热性能的因素进行了大量的研究， 但是相互间的实验结果却存在着一定差异。这些不一致的地方与纳米流体的种类、流体的流速、工作环境等因素有关， 未来研究还需要从以下几个方面进行完善。

　　( 1) 进一步研究纳米粒子的直径、浓度等因素对换热器的换热性能的影响， 这些因素的现有研究结果并不一致， 需要更多的实验来总结规律。

　　( 2) 增强纳米流体的稳定性， 因为纳米流体的稳定性是进行实验和数值模拟的前提。

　　( 3) 拓展实验时纳米流体的种类， 目前的研究主要集中于 Al2O3、CuO、Fe2O3 等金属类纳米颗粒，对基于石墨烯颗粒的流体的研究较少， 拓展实验纳米流体的范围， 以得到热性能更优的纳米流体。

　　( 4) 完善数学模型， 探究影响纳米流体在换热器的传热性能的因素。

　　参考文献

　　[1] 李强. 纳 米 流 体 强 化 传 热 机 理 研 究[D] . 南 京: 南 京 理 工 大学， 2004.

　　[2] 彭小飞， 俞小莉， 夏立峰， 等. 纳米流体悬浮稳定性影响因素[J] .浙江大学学报: 工学版， 2007， ( 4) : 577-580.

　　[3] 凌智勇， 张体峰， 丁建宁， 等.Cu-水纳米流体的稳定性及其粘度的实验研究[J] .功能材料， 2011， 42( S3) : 481-483.

　　[4] Farajollahi B， Etemad S G， Hojjat M.Heat transfer of nanofluids in ashell and tube heat exchange[J] .International Journal of Heat andMass Transfer， 2010， 53( 1 /2 /3) : 12-17.

　　[5] Shahrul I M， Ahbubul I M， Saidur R， et al.Effectiveness study of ashell and tube heat exchanger operated with nanofluids at differentmass flow rates[J] .Numerical Heat Transfer: Part A， 2014， 65( 7) :699-713.