综述：混合纳米流体用于换热器性能增强的先进技术综述

《Next Nanotechnology》：State-of-the-art review of hybrid nanofluids for heat exchanger performance enhancement

　　

混合纳米流体（HNFs）被认为是流体技术领域的一个新概念，因其更好的热物理性质，在先进热系统中展现出广阔的应用潜力。本文综述了混合纳米流体在不同类型换热器中的应用，如光滑管、套管、壳管、板式及微通道换热器。此外，综述讨论了传统传热流体的缺点以及使用混合纳米颗粒的优势。考虑了不同类型的纳米颗粒，如金属、金属氧化物、碳质材料、陶瓷和磁性颗粒，以及它们各自的制备和稳定方法，如一步法、两步法制备、超声处理、表面活性剂的使用和pH值的调节。纳米颗粒的材料、浓度、雷诺数（Reynolds number）以及换热器的几何结构对热效率至关重要。此外，还讨论了过程的?（exergy）和熵（entropy）生成热力学，以评估系统效率和不可逆性。从收集的研究可以看出，与传统工作流体相比，混合纳米流体在提高热导率和?效率方面具有巨大潜力。然而，仍有几个问题有待解决。重点研究了关键的研究空白，并提出了与稳定性改进、纳米颗粒杂化物优化、基于人工智能（AI）的建模以及用于可持续热管理应用的数值与实验相结合方法相关的未来研究方向。

1. 1.
   引言
   1.1 工业对高效换热器的需求
   日益增长的能源成本、日益严格的环境法规以及对改进工业性能的需求，共同推动了电力 generation、化工、油气、食品加工和大型暖通空调（HVAC）系统等行业对高效换热器的需求。换热器是热能源管理的重点，可回收废热并减少一次能源消耗。国际能源署（IEA）建议，提高工业能源效率是减少温室气体排放和降低运营成本的最有效途径之一。实现这些目标需要采用具有高总传热系数（h）和最佳表面几何形状的高效换热器，以在减少燃料和冷却水使用的情况下实现高效性能。设计制造的进步也加速了工业应用，小型板式换热器、微通道换热器和强化表面设计大大提高了传热面积体积比，从而在不占用过多物理空间的情况下实现更好的热效率。此外，各行业正在对旧式壳管装置进行改造，采用先进设计以实现可持续性目标和能源强度企业目标。随着工业过程向脱碳和资源优化转变，高效换热器正成为热系统可靠性、空间限制和经济可行性的关键特征。
   尽管取得了这些进展，仍存在操作困难。平行板式换热器中质量流量不平衡、通道形状不规则会显著降低可达到的效率，特别是在效率目标超过98%的情况下。因此，需要将理论效率增益转化为实际性能，必须对流量分布和几何一致性进行适当管理。创新应持续出现在流量管理、表面工程和材料领域，以满足高效传热系统的要求。

1.2 传统工作流体的局限性

水、水-乙二醇混合物、制冷剂、导热油和二氧化碳等传统工作流体存在许多局限性，可能影响壳管、板式、翅片管和紧凑型换热器的性能。水在壳管换热器中具有高比热容，但也容易结垢和腐蚀，这会随时间增加热阻并降低总传热系数（h）。导热油可在高温下工作，但热导率（k）较低且粘度较高，导致对流传热系数较低并增加泵送能量需求。水-乙二醇混合物可防止冻结，但其粘度高于纯水且热导率较低，导致压降增加和传热效率降低。相变制冷剂在蒸发和冷凝过程中面临?损，特别是在流体温差不匹配时，限制了第二定律效率。空气由于导热性差且密度低，需要巨大的表面积才能提供足够的效率。在微通道和微型换热器中，流体在拟临界区热物性的急剧变化使得性能预测和流量分布管理变得困难。传统工作流体的这些热力学和运行问题限制了换热器的效率和可靠性，因此需要开发复杂的工作流体，如纳米流体和混合纳米流体，以提高稳定性、传热速率和系统性能。

1.3 纳米流体的发展

纳米流体已成为提高换热器效率的可行途径。其增强的热物理性质提供了优于传统工作流体的传热速率。纳米流体是纳米颗粒（通常尺寸在1至100 nm之间）在基液（如水、乙二醇、制冷剂或油）中的胶体悬浮液。金属（Cu、Ag）、金属氧化物（Al₂O₃、TiO₂、ZnO）、碳基材料（石墨烯、碳纳米管（CNTs））和高导热纳米复合材料可大幅提高基液的有效热导率（k）和传热系数（h）。选择纳米颗粒材料的主要考虑因素包括热导率、与基液的相容性、成本和环境因素。金属纳米颗粒具有非常高的热导率，但对氧化和团聚敏感。碳基纳米材料由于其高长径比和声子传输机制而具有更好的热特性，但金属氧化物更具成本效益且化学稳定性更好。近期研究集中在混合纳米流体上，这类流体包含两种或更多种类的纳米颗粒，可产生协同效应从而提高热性能。纳米流体可通过两步法或一步法制备。两步法使用表面活性剂、搅拌和超声处理将预先制备的纳米颗粒分散到基液中，该方法成本效益高且适合大规模生产，但可能面临团聚和沉降问题。一步法则在基液中原位快速生成纳米颗粒，减少了团聚和氧化，但加工更复杂且成本更高。共沉淀法是一种简单、高产且易于放大的化学方法，但需强碱性环境且颗粒分散不均匀。溶胶-凝胶法通过水解和缩合形成凝胶，可精确控制颗粒特性，但后处理步骤复杂。表2总结了文献中常用纳米颗粒和混合纳米流体的典型热物理和传热增强参数。研究表明，碳基纳米材料（尤其是CNTs和石墨烯纳米片）比传统金属氧化物纳米颗粒具有更高的热导率提升；混合纳米流体表现出协同效应，获得比单颗粒纳米流体更好的热导率和传热增强。然而，需要仔细调节纳米颗粒浓度以平衡传热增强和粘度相关的压降。尽管现有纳米流体已被证明能提高导热和对流传热速率，但稳定性和单一纳米颗粒固有弱点的问题限制了其应用。为解决这些问题，研究人员开始研究由两种或更多不同纳米颗粒组成的混合纳米流体。

1.4 向混合纳米流体的演进

由于其优异的热物理性质，纳米流体具有高导热系数（k）和传热系数（h），以及良好的热效率，可广泛应用于能源、电子、生物医学和航空航天等领域。由多种纳米颗粒分散在基液中形成的混合纳米流体（HNF）在现代研究中日益受到关注。与常规纳米流体相比，HNF具有更好的热特性和改善的稳定性，在先进热管理应用中极具价值。从单纳米颗粒纳米流体到HNF（结合多种纳米颗粒），再到三元（三颗粒）HNF的发展，克服了单纳米流体在高浓度时面临的粘度-性能权衡问题。多项研究观察到，根据纳米颗粒组成、浓度、雷诺数和换热器结构，传热性能相对基液提高了20%至100%。目前HNF已应用于换热器、太阳能板、电子冷却和汽车工业。主要未解决的问题是稳定性、分散性和纳米颗粒团聚，研究人员强调需要全面的混合热物理特性模型。实验研究表明，Al₂O₃-TiO₂/水、TiO₂-SiO₂/水等混合纳米流体在多通道和波纹板换热器中显著提高了热性能，最高提升达37.3%。CNTs与金属纳米颗粒（如Ag-CNT）的结合使热导率最大提高52.37%，且分散稳定性长达六个月。数值研究也证实了实验结果，如CuO-水纳米流体在部分填充多孔层的波纹通道中，努塞尔数（Nusselt number, Nu）平均提高35.7–176.9%，熵产增加105.4–771.9%。表3比较了单纳米流体、混合纳米流体和三元纳米流体的性能。单纳米流体制备简单、稳定性好，但传热增强有限；三元纳米流体虽热性能最优，但粘度高、压降大、制备复杂且成本高；混合纳米流体在热导率、传热系数和?效率方面提供了高值，同时液压损失相对较低，因此被认为是当前换热器中最具前景的工作流体之一。评估混合纳米流体的热液压性能不能仅依赖热增强，因为纳米颗粒浓度增加会导致粘度、摩擦因子和泵送功率增加。因此，性能评价标准（Performance Evaluation Criterion, PEC）被广泛使用，其随纳米颗粒体积分数（φ）和雷诺数（Re）的变化表明存在最佳浓度使热液压性能最大化。尽管混合纳米流体通常表现出比单纳米流体更高的热增强，但已发表的实验结果差异很大，这归因于基液性质、稳定机制、测试条件、浓度、粒径分布、颗粒几何形状和合成工艺的不同。高长径比的碳基添加剂、高zeta电位值的稳定分散体、最佳的颗粒混合比以及低于约1 vol%的纳米颗粒浓度是最常被报道的性能提升案例。这些发现表明，观察到的热增加应结合特定操作条件和配方参数来理解，而非普遍适用的性能改进。

1.5 本综述的新贡献

尽管已有许多关于混合纳米流体的综述文章，但多数主要集中在热物理性质或传热增强过程上，尚未充分结合?效率与传热有效性。因此，本文批判性地审视了关于混合纳米流体在板式、壳管式、套管式、微型通道和微通道换热器中应用的现有实验和数值研究，特别关注热改善与热力学改善（如熵产和?破坏）之间的联系，并审视了研究空白和未来机遇。具体贡献包括：系统分析混合纳米流体在换热器中的第一和第二定律热力学；全面比较套管、壳管、板式、微型、微通道和螺旋盘管换热器的实验、理论和优化研究；研究颗粒组成、浓度、雷诺数、颗粒形状和取向对混合纳米颗粒性能的影响；关注热性能改善与不可逆性产生之间的平衡；指出人工智能辅助优化、混合纳米流体可持续性、长期稳定性和工业适用性方面的未来研究方向。

1.6 综述方法

本研究采用系统的文献调查方法，旨在识别、评估和整合有关混合纳米流体在换热器中应用的相关文献。检索的数据库包括Scopus、Web of Science、Science Direct、SpringerLink、Wiley Online Library、Taylor & Francis和Google Scholar。文献调查主要涵盖2010年至2025年间用英语撰写的同行评审学术文章，优先考虑过去五年的进展。筛选过程包括去重、标题和摘要筛选。检索词组合包括“hybrid nanofluids”、“heat exchangers”、“thermal conductivity”、“convective heat transfer”、“Nusselt number”、“entropy generation”、“exergy analysis”、“plate heat exchanger”、“shell and tube heat exchanger”、“microchannel heat exchanger”和“thermodynamic performance”。仅纳入关注纳米流体传热和热力学应用的文章，排除会议论文、重复发表、专利、社论和缺乏定量热性能数据的文章。在存在矛盾时，根据纳米颗粒组成、浓度、操作条件、换热器几何结构和?性能指标进行比较以找出差异原因。纳入的研究进一步按纳米颗粒类型、合成方法、热物理性质、传热性能、?分析、熵产特性和工业应用进行分类。

1. 2.
   换热器中使用的纳米颗粒分类
   分散纳米颗粒的类型和性质是决定纳米流体在换热器中性能特征的关键因素。不同类别的纳米颗粒具有不同的热导率、形态、稳定性和与基液的相互作用，直接影响纳米流体的密度、比热、粘度和热导率（k）等热物理性质。因此，选择合适的纳米颗粒材料对于定义纳米流体在热系统中的整体传热和流动特性至关重要。用于热传递研究的纳米颗粒材料范围广泛，包括金属、金属氧化物、碳基纳米材料、陶瓷和磁性颗粒。金属纳米颗粒具有极高的热导率，金属氧化物纳米颗粒具有良好的化学稳定性和分散性，碳纳米结构具有高固有热导率和比表面积，陶瓷纳米颗粒提供出色的热稳定性，磁性纳米颗粒允许在外部磁场存在下控制流体速度。对纳米颗粒进行分类有助于根据特定传热场景进行评估。如图4所示，使用各种纳米颗粒组合可以调整热物理参数，从而改善热导率、对流传热、热效率和稳定性。不同纳米颗粒之间的协同作用是混合纳米流体具有优异热性能的关键原因之一。

2.1 金属纳米颗粒

铜（Cu）、银（Ag）和金（Au）等金属纳米颗粒因其优异的热导率（k）而最初受到研究，但氧化、成本和稳定性问题限制了其大规模实际应用。近期研究考察了在带有扰动器的壳管式换热器中，铜基纳米流体和含氯二氟甲烷（R22）有机纳米流体在不同直径比和扭转螺距比下的传热性能，结果表明努塞尔数（Nu）随雷诺数（Re）增加而显著提高。Manikandan研究了铜纳米颗粒在乙二醇、丙二醇和水混合基液中，在人字形板式换热器中的传热性能，发现1%体积分数纳米颗粒在75°C时使Nu提高9%和14.9%。Joanna Wilk等测量了铜纳米颗粒/水纳米流体在盘管换热器中的热物理性质，发现粘度和热导率随温度和浓度变化，但与理论预测存在差异。Dileep Singh等将铜纳米颗粒分散在合成传热流体Therminol 59和66中，用于聚光太阳能发电，热导率在2 vol%浓度时提高约20%，且悬浮稳定性良好。其他研究还包括铝纳米颗粒涂层散热器和铝/水纳米流体在微小换热器中的应用，均显示出改善的传热系数（h）和Nu。S.H. Pourhoseini等实验研究了板式换热器中纳米流体浓度对整体传热系数（U）的影响，发现最佳浓度约为2.5 mg/L，此时热导率最大提高36.6%，超过该浓度后因颗粒团聚导致传热效率下降。Mehdi Bahiraei等利用绿茶提取物生物合成银纳米颗粒，在微尺度逆流套管换热器中发现增加纳米颗粒浓度和Re可改善传热系数（h），颗粒迁移在增强传热的同时降低了泵送功率。

2.2 金属氧化物纳米颗粒

氧化铝（Al₂O₃）、氧化铜（CuO）、二氧化钛（TiO₂）、氧化锌（ZnO）、氧化铁和二氧化硅（SiO₂）等金属氧化物纳米颗粒因其更好的化学稳定性、相对较低的成本和合理的分散稳定性而受到广泛关注。Keyvani Bahram等利用从废旧电池中提取的CuO纳米颗粒增强汽车散热器传热，在Re=12000、40°C、0.3%浓度下获得最大Nu为123.4。Rabia Rehman等数值研究了氧化铝纳米流体在多孔旋转圆盘上的第二定律热力学行为，发现纳米流体类型显著影响速度分布、温度分布、熵产、贝让数（Bejan number）和Nu。Sohail Ahmad等通过数值分析比较了混合纳米流体和单纳米流体在拉伸表面磁流体动力学（MHD）流动中的传热特性。Marulasiddeshi等实验研究了Al₂O₃和Al₂O₃-CuO混合纳米流体在恒定热流铜管中的热力学不可逆性和热液压性能，发现Al₂O₃-CuO在60°C时Nu最大提高79.7%，且?效率随Re和纳米颗粒浓度增加而提高，总熵产降低。Praveen Kumar K等研究了18650锂离子电池的热管理，发现Al₂O₃-CuO混合纳米流体在60°C时热导率比单纳米流体高35.26%和29.1%，电池最高温度降低54.23%。该团队还研究了Al₂O₃-TiO₂（50:50）混合纳米流体，在1 vol%时Nu最大提高70.4%，熵产降低46%，并构建了机器学习模型进行预测。尽管混合纳米流体在提高热导率和传热方面潜力巨大，但粘度增加导致摩擦因子、压降和泵送功上升的问题不容忽视。许多研究表明，热增强仅在达到最佳浓度前随纳米颗粒浓度增加而改善，超过后液压损失可能超过热收益。因此，纳米颗粒类型、浓度和混合比例的选择应同时考虑传热增强和能耗，基于?效率和熵产的热力学分析能更实际地评估混合纳米流体在换热器中的整体有效性。

2.3 碳基纳米颗粒

碳基纳米材料是另一类重要的增强传热纳米颗粒，包括多壁碳纳米管（MWCNT）、单壁碳纳米管（SWCNT）、碳纳米纤维、氧化石墨烯（GO）和石墨烯，它们具有极高的固有热导率和巨大的比表面积。Amin Amiri Delouei等在超声振动翅片管换热器中利用MWCNT纳米流体，最大传热改善达80.52%。Sarafraz等发现MWCNT/水纳米流体在环空流动沸腾中表现出优于金属氧化物纳米流体的热导率和沸腾传热效率。M Basit Shafiq等模拟了MWCNT/水纳米流体在壳-螺旋盘管换热器中的热液压性能，在0.5%浓度和Re=15000时Nu最大提高31.5%，但压降增加47.35%。Dayou等比较了MWCNT和石墨烯纳米片在同心管换热器中的性能，发现石墨烯纳米流体在理想浓度和高流速下传热增强约26.1%，优于MWCNT的14.4%。Tingting Qian等制备的SWCNT/聚乙二醇相变纳米复合材料使热导率在固态和液态分别提高约375%和121%。Arani等研究了SWCNT/水纳米流体在双层微通道散热器中的层流换热，发现降低热阻并改善温度均匀性。Praveen Kumar K等实验分析了GO-MXene（90:10）混合纳米流体在钒氧化还原液流电池中的应用，在0.1 wt%和45°C时电导率和热导率分别提高20.5%和6.81%，并开发了LSBoost机器学习模型进行准确预测。该团队还考察了SiO₂、GO、TiO₂和GO-TiO₂纳米流体的热物理性质，发现GO-TiO₂纳米流体性能优于基液43%以上，GO纳米流体热导率最高提升52%。这些改善归因于布朗运动增强、纳米颗粒分散性提高以及碳纳米管固有的高热导率。从工业角度看，SWCNT虽然性能优异，但生产成本远高于MWCNT，因此MWCNT因经济可行性更适合换热器应用。此外，氧化石墨烯纳米流体在壳管式换热器中使热导率提高8.7%至18.9%，?损失低于蒸馏水；在逆流套管换热器中，增加纳米颗粒浓度和流速可使传热系数（h）提高85%，但摩擦因子和压降也随之增加。

2.4 陶瓷和复合纳米颗粒

陶瓷纳米颗粒如碳化硅（SiC）、氮化铝（AlN）和氮化硼（BN）具有高导热性和高温稳定性，适用于高温换热器和电子冷却。研究表明，SiC/水纳米流体在7 vol%浓度时热导率提高约28%，且在70–85°C内保持稳定。在太阳能热水器相变材料（PCM）增强中，铜纳米颗粒使传热提高71.9%，SiC提高热导率约25%，BN改善热保持60%。Hoe等通过分子动力学模拟和瞬态热线法证实，SiC/乙二醇纳米流体的热导率和稳定性优于纯乙二醇。一项研究开发了多孔AlN骨架增强石蜡相变复合材料，含55.6 wt% AlN的复合材料热导率达到9.1 W m^-1 K^-1，比纯石蜡高约4550%，同时保持了高潜热容量和良好的结构稳定性。这些陶瓷纳米颗粒为极端环境下的热管理提供了可靠解决方案。