MnCoFeO4@H2O纳米流体稳定性评估及其在双管换热器中强化传热的实验研究

研究人员针对双管换热器(DPHE)传热效率提升需求，通过实验评估MnCoFeO4@H2O纳米流体的稳定性（采用UV-Vis、DLS、Zeta电位分析）及热性能（RSM优化），发现0.1 wt%浓度在55°C和23.4 LPM条件下使对流换热系数(CHTC)提升40%，努塞尔数(Nu)增加37%，且压降可忽略，为工业换热系统节能优化提供新方案。

　　

在全球能源消耗持续增长的背景下，提高换热设备的传热效率成为减少温室气体排放的关键。双管换热器(DPHE)作为工业领域广泛应用的热交换装置，其性能优化备受关注。传统被动强化传热方法中，纳米流体因其独特的导热性能展现出巨大潜力，但纳米颗粒的团聚沉降问题及热工-水力性能的平衡仍是技术难点。尤其对于新型锰钴铁氧体(MnCoFeO₄)纳米颗粒，其在水基流体中的稳定性和换热性能尚未有系统研究。

为填补这一空白，国内研究人员在《Results in Engineering》发表了关于MnCoFeO₄@H₂O纳米流体的创新研究。团队通过多尺度表征与响应面法(RSM)设计，首次系统评估了该纳米流体在DPHE中的稳定性与传热强化效果。研究发现，优化后的纳米流体在保持低液压损失的同时，实现了显著的传热提升，为工业换热系统提供了一种兼顾高效与节能的解决方案。

研究采用四大关键技术：1）纳米流体稳定性多模态评价（摄影记录、紫外可见分光光度法(UV-Vis)、动态光散射(DLS)和Zeta电位分析）；2）纳米颗粒形貌表征（透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和傅里叶红外光谱(FTIR)）；3）基于中心复合设计(CCD)的响应面法(RSM)优化；4）双管换热系统实验平台（含热/冷流体循环与温度-流量精密控制系统）。

材料特性与纳米流体制备
通过Scherrer方程计算出MnCoFeO₄晶粒尺寸约18 nm，FESEM显示25°C合成的球形颗粒分散最均匀。采用两步法制备纳米流体，超声处理（20.4 kHz，400 W）结合脉冲模式确保分散稳定性。UV-Vis光谱证实0.1 wt%浓度样品在355 nm处吸光度最高（约3.0），28天后仍保持良好分散状态。

稳定性分析
DLS数据显示0.1 wt%样品具有最小平均粒径（339.9 nm）和理想多分散指数(PDI=0.482)，Zeta电位-18.7 mV表明适度静电稳定。与0.15 wt%样品（PDI=0.719）相比，证实低浓度更有利于长期稳定。

传热性能优化
RSM分析揭示：纳米流体浓度和冷流体流量对对流换热系数(CHTC)影响显著（p<0.0002），而热流体温度影响较弱（p=0.3884）。在0.1 wt%浓度、55°C和23.4 LPM的最优条件下，CHTC达218.4 W/m²·°C，较纯水提升40%，平均努塞尔数(Nu)增加37%。值得注意的是，摩擦系数仅增加15.4%，且压降变化可忽略，实现了热工性能与水力损耗的优化平衡。

讨论与工业价值
该研究首次证实MnCoFeO₄@H₂O纳米流体在DPHE中的实用价值：1）突破传统纳米流体高浓度不稳定的限制，0.1 wt%低浓度即可实现显著传热强化；2）磁性纳米颗粒为后续磁场调控传热提供可能；3）水基流体避免乙二醇(EG)混合液的毒性与腐蚀问题。相比文献报道的碳纳米管(MWCNT)和氧化石墨烯纳米流体，本方案在成本效益和可持续性方面更具优势。

这项成果为食品加工、制药等中低温工业换热系统提供了可直接应用的优化方案。未来研究可探索磁场辅助传热机制，或结合涡流发生器等其他被动强化技术，进一步挖掘MnCoFeO₄纳米流体在复杂换热系统中的潜力。