石墨烯纳米流体的热物理性质与传热性能：一项实验分析

《Next Materials》：Thermophysical properties and heat transfer performance of graphene nanofluid: An experimental analysis

　　

采用两步法以十二烷基硫酸钠（SDS）为非共价功能化表面活性剂制备了体积浓度（v.c.）为0.1%和0.2%的去离子水基石墨烯纳米流体，并在25^oC至60^oC温度范围内对其热物理性质进行了实验分析，同时评估了其在光伏光热（PVT）系统实验装置中的传热性能。通过沉降摄影法、紫外-可见（UV-Vis）吸收光谱法、Zeta电位分析及动态光散射（DLS）技术对纳米流体的分散稳定性进行了表征。采用KD2 Pro热物性分析仪测定热导率，采用Brookfield DV-II+ Pro旋转黏度计测定动态黏度，采用数字密度计测定密度。研究人员将实验测得的热物理性质值与经典理论模型（Maxwell模型、Hamilton-Crosser模型、Einstein模型、Saito模型、Brinkman模型、Batchelor模型、Wang et al.模型及Pak & Cho模型）的预测值进行了对比分析。采用Cross流变模型对纳米流体的剪切变稀行为进行了拟合验证。在恒定流速0.37 L/min条件下，对比了去离子水与石墨烯纳米流体在PVT系统中的出口温度、热效率、热移除速率、压力损失及泵送功率需求。结果表明，0.2% v.c.石墨烯纳米流体在50^oC时热导率最大增幅达35.75%，纳米流体表现出剪切变稀行为，PVT系统热效率显著提升至91.18%，且泵送功率损失相对于热增益可忽略不计。

研究背景方面，联合国可持续发展目标（SDG）提出获取可持续现代能源的要求，2022年可再生能源占终端能源消费的17.9%，太阳能光伏（PV）发电增长尤为显著。然而，入射到光伏电池上的太阳辐射中超过80%未被转化为电能，而是被反射或转化为热能，导致光伏电池工作温度升高、电转换效率下降。传统传热流体（如空气和水）因热导率低而在太阳能热利用中效果不佳。热导率是热流体最重要的热物理性质之一，低热导率限制了水、乙二醇、导热油等常规热流体在商业传热过程中的应用。自Masuda等率先使用纳米颗粒制备胶体悬浮液、Choi等提出"纳米流体"概念以来，碳基纳米流体（如单壁碳纳米管（SWCNT）、多壁碳纳米管（MWCNT）、氧化石墨烯（GO）、石墨烯等）因具有更高的本征热导率和更低的密度而受到广泛关注。碳纳米结构的轴向热导率可达3000 W/m·K（碳纳米管）和5000 W/m·K（单层石墨烯），石墨烯纳米片的面内热导率为3000–5000 W/m·K。尽管已有若干研究涉及石墨烯纳米流体的热物理性质，但利用石墨烯纳米流体系统分析其热物理性质并在PVT系统中评价其传热性能的研究仍然很少。本研究的创新性在于实验研究两种不同体积浓度石墨烯纳米流体的热物理性质，并证明其在室外动态测试条件下作为稳定胶体无显著降解或沉降的传热性能；优化纳米流体体积浓度以实现热导率与黏度的权衡；PVT系统采用单管蛇形设计以在有限集热器空间内最大化总传热面积从而显著提升传热性能。

研究人员开展了以下研究：制备0.1%和0.2% v.c.石墨烯-去离子水纳米流体，在25^oC至60^oC温度范围内分析其热物理性质，并在PVT系统实验装置中评价其传热性能。得出主要结论如下：0.2% v.c.石墨烯纳米流体在50^oC时热导率最大值为0.824 W/m·K，相较于基液的最大增幅为35.75%（0.2% v.c.）和8.24%（0.1% v.c.）；纳米流体呈现剪切变稀行为，适用于高温传热应用；Cross模型的决定系数（COD）为0.98083–0.99993，拟合良好；纳米流体密度较去离子水略有增加；实验热导率值高于经典模型预测值；0.2% v.c.纳米流体在PVT系统中实现了最高91.18%的热效率，热移除速率达314.03 W，泵送功率损失相对于热增益可忽略不计。重要意义在于，研究成果表明石墨烯纳米流体可有效提升PVT系统的热效率和热移除速率，为碳基纳米流体在太阳能热利用领域的应用提供了实验依据。

关键技术方法方面（不超过250字）：采用两步法制备石墨烯纳米流体，以SDS为表面活性剂，经磁力搅拌和探针超声处理；通过沉降摄影法、UV-Vis吸收光谱法（Perkin Elmer Lambda 25，分辨率1 nm，200–800 nm）、Zeta电位分析仪（Brookhaven Nano Brook Omni）和DLS技术表征分散稳定性；采用KD2 Pro热物性分析仪（精度±5%，0.2–2 W/m·K）测定热导率，Brookfield DV-II+ Pro旋转黏度计（精度±1%）测定动态黏度，数字密度计（2910 DDM4040）测定密度；在PVT系统实验装置中于2026年2月至3月11:00–16:30进行室外测试，恒定流速0.37 L/min，采用RTD PT100温度传感器（精度±0.5^oC）每30 s记录数据，太阳辐照度由Solar Power Meter（MECO 936）测量；采用Root-Sum-Square法进行不确定度分析。

研究结果方面：3.1 Rationale for selecting 0.1% and 0.2% v.c——通过文献分析确定0.1%和0.2% v.c.为兼顾最大热性能与最小流体动力学损失的最佳浓度范围，超过1% v.c.会导致严重团聚、快速沉降和指数级水力损失。3.2 Stability analysis of graphene nanofluid——通过沉降摄影法（120天后无可见团聚或沉降）、UV-Vis光谱法（0.1%和0.2% v.c.纳米流体分别在228.54 nm和229.35 nm处出现最大吸光度1.9292和2.069，符合Beer-Lambert定律）、Zeta电位（?45.89 mV和?46.49 mV，表明良好的静电稳定性）和DLS（平均流体动力学直径428.12 nm和777.88 nm，多分散性指数（PDI）0.251和0.281，小于0.3表明窄尺寸分布和良好分散性）证实纳米流体具有良好的分散稳定性。3.3 Effect of long term storage on thermophysical properties——分析长期储存对热物理性质的影响，通过优化表面活性剂与石墨烯质量比1:1确保超过120天的长期静电或空间位阻稳定性。3.4.1 Thermal conductivity——采用瞬态热线（THW）法测定，热导率随石墨烯颗粒浓度和温度升高而增大，0.2% v.c.纳米流体在50^oC时热导率最大值为0.824 W/m·K，0.1%和0.2% v.c.纳米流体相较于基液的最大增幅分别为8.24%和35.75%，0.2% v.c.较0.1% v.c.在50^oC时高25.41%；Maxwell模型和Hamilton-Crosser模型在高温下显著低估实验值（50^oC时分别低估7.45%和25.97%（0.1% v.c.）及7%和25.24%（0.2% v.c.）），原因在于经典模型未考虑颗粒尺寸、形状、分布、布朗运动、纳米层、界面热阻等因素；增强机制归因于布朗运动、分子动能增加、颗粒碰撞增强的相干声子热流及弹道声子热输运。3.4.2 Rheological properties——动态黏度随颗粒负载增加而增大，随温度和剪切速率升高而降低；0.2%和0.1% v.c.纳米流体在25^oC、剪切速率39.6 s^?1时最大黏度分别为22.63 mPa·s和18.33 mPa·s；在25^oC、剪切速率198 s^?1时黏度分别为去离子水的4.65倍和3.64倍；25^oC至60^oC范围内黏度分别下降46.91%和42.75%；纳米流体呈现时间无关非牛顿（假塑性）剪切变稀行为；经典黏度模型（Einstein、Saito、Brinkman、Batchelor、Wang et al.）预测值与实验值偏差达95.05%–96.96%，归因于颗粒浓度、基液类型与温度、形貌、表面化学、表面活性剂、测量技术、剪切速率及制备方法等因素。3.4.3 Rheological model——Cross模型拟合效果良好，R²为0.98083–0.99993，成功捕捉石墨烯纳米流体的全部关键非牛顿流变区域。3.4.4 Density——纳米流体密度高于去离子水且随温度升高而降低，0.1%和0.2% v.c.纳米流体在30^oC至60^oC范围内密度分别增加0.43–1.11%和0.48–1.65%；Pak & Cho模型预测值在60^oC时较实验值分别低1.055%和1.537%，偏差较小。3.4.5 Influence of SDS surfactant on thermophysical properties——SDS通过赋予强负静电电荷提高Zeta电位绝对值以维持分散稳定性，但过量表面活性剂会形成胶束或厚包覆层增加Kapitza热阻从而降低热导率；采用表面活性剂与石墨烯质量比1:1的优化配比以兼顾分散稳定性、高热导率和可忽略压降。3.4.6 Analysis of heat transfer performance of working fluids——0.2% v.c.纳米流体出口温度最高（57.7^oC），其次为0.1% v.c.（45.3^oC）和去离子水（38.6^oC）；参考PV模块最高表面温度55.7^oC，PVT模块在0.2%纳米流体、0.1%纳米流体和去离子水工况下最高表面温度分别为45.5^oC、47.9^oC和50.5^oC，参考模块与PVT模块最大温差分别为10.2^oC、7.2^oC和4^oC；0.2% v.c.纳米流体最大热移除速率314.03 W，0.1% v.c.为231.01 W，去离子水为79.63 W；最大热效率分别为91.18%、69.46%和28.47%；0.1% v.c.纳米流体总压降从20.6225 kPa增至35.650 kPa，泵送功率从0.2534 W增至0.4396 W，0.2% v.c.总压降35.670 kPa、泵送功率0.4398 W，泵送功率损失相对于热增益可忽略不计。3.4.7 Validity of observed trends——0.1%和0.2% v.c.下观察到的趋势在放大至更高体积浓度（φ>1%）时不再成立，超过1%后热导率增长放缓或下降、黏度指数增长导致严重压力损失，因此选择0.1%和0.2% v.c.以实现热增益与泵送功率需求的权衡。

讨论部分总结：经典连续介质理论模型（Maxwell、Hamilton-Crosser及各类黏度模型）因基于球形颗粒、无限稀释、无界面热阻、纯传导等假设，未考虑颗粒尺寸形状分布、布朗运动、纳米层、界面热阻、颗粒团聚等因素，在预测纳米流体热导率和黏度时与实验值存在显著偏差。研究人员提出布朗运动、分子级液体分层、弹道声子热输运及纳米颗粒团聚等机制解释热导率增强现象。结论部分翻译如下：（1）UV-Vis光谱表明纳米流体光吸收率随体积浓度增加而增大，0.1%和0.2% v.c.纳米流体最大吸光度分别为228.54 nm处1.9292和229.35 nm处2.069，符合Beer-Lambert定律，表明分散行为稳定，长期稳定性确保纳米流体较长货架期并保持其热物理性质。（2）0.2% v.c.纳米流体在50^oC时热导率最大值为0.824 W/m·K，0.1%和0.2% v.c.纳米流体相较于基液的最大热导率增幅分别为35.75%和8.24%，颗粒负载和温度对热导率有显著影响，热导率增强归因于布朗运动、高温下分子动能增加及纳米颗粒碰撞，颗粒因布朗运动不断移动而局部更为接近，从而增强颗粒间相干声子热流。（3）黏度随颗粒负载增加而增大，随温度和剪切速率升高而降低，黏度随温度升高而降低归因于颗粒间和分子间黏附力减弱；流变分析表明黏度随剪切速率增加而降低，纳米流体呈现剪切变稀行为，适用于高温传热应用；Cross模型R²为0.98083–0.99993，拟合良好。（4）纳米流体密度因悬浮纳米颗粒密度较高而高于去离子水，0.1%和0.2% v.c.纳米流体在60^oC时密度最大增幅分别为1.11%和1.65%，密度较基液无显著增加，适用于对泵送功率要求较低的传热流体。（5）经典热导率模型预测值低于实验值，原因在于模型公式化所基于的标准假设存在局限性。（6）去离子水、0.1%和0.2% v.c.纳米流体最大出口温度分别为38.6^oC、45.3^oC和57.7^oC，PVT模块在0.2%纳米流体、0.1%纳米流体和去离子水工况下最高表面温度分别为45.5^oC、47.9^oC和50.5^oC；0.2% v.c.纳米流体在0.37 L/min时最大热移除速率314.03 W，0.1% v.c.和去离子水分别为231.01 W和79.63 W，纳米流体吸热量因热导率增强而显著高于去离子水；0.2% v.c.纳米流体最大热效率达91.18%，表明改进的热导率使纳米流体较常规流体具有更快散热优势。（7）添加0.1% v.c.石墨烯使总压降从20.6225 kPa增至35.650 kPa，泵送功率从0.2534 W增至0.4396 W，热移除速率231.01 W表明正热增益超过泵送功率消耗的增加；添加0.2% v.c.纳米颗粒使总压降增至35.670 kPa、泵送功率增至0.4398 W，较0.1% v.c.纳米流体分别高20 Pa和0.002 W，泵送功率损失相对于纳米流体所获热增益可忽略不计。（8）纳米流体热物理性质改进所获热增益抵消泵送功率需求，但随着纳米颗粒浓度增加有效热增益开始缩小，因此建议选择最大化增益并最小化损失的最佳浓度以实现传热系统运行效率。