На пути к наножидкости TiO2 - Часть 2:Приложения и проблемы

Применение для повышения теплопроводности

Поскольку выдающиеся характеристики наножидкостей обычно объясняются физическими свойствами жидкостей с добавлением наночастиц, экспериментальные или теоретические исследования теплопроводности наножидкостей должны быть важной темой в области наножидкостей. Хотя в большинстве обзорных статей теплопроводность вводится в части физических свойств, повышение теплопроводности также является важным аспектом применения наножидкостей. Еще одна причина включения теплопроводности в прикладную часть - сбалансировать содержание двух обзоров.

Результаты многих экспериментальных и теоретических исследований показали, что добавление наночастиц может заметно улучшить теплопроводность жидкости. Факторы влияния на теплопроводность наножидкостей можно разделить на следующие группы:(1) внутренние факторы, включая тип частиц, их содержание [36, 37], размер [38], форму [39] и структуру [40]. и тип базовой жидкости [41] и вероятное поверхностно-активное вещество или регулятор pH [42, 43], если они есть; (2) внешние факторы, включая температуру [40], время сверхзвуковой вибрации [44], время хранения [45] или время работы [46]; и (3) микрокосмические факторы, такие как зарядовое состояние поверхности наночастиц [47], кластер частиц [48], межфазный нанослой [49], броуновское движение [50], агрегация [51], межфазное термическое сопротивление и масса разностное рассеяние [52]. В нашем предыдущем исследовании была представлена ​​таблица, показывающая теплопроводность TiO ₂ наножидкости [35]. Однако понимание различных факторов влияния на степень влияния не является интуитивным и неудобным. Поэтому в этой части 2 влияние на теплопроводность TiO ₂ наножидкости показаны на рисунках для лучшего понимания.

Эффект загрузки частиц

Сводка приращения теплопроводности TiO ₂ –Водная наножидкость с объемной долей наночастиц в доступной литературе показана на рис. 1. Из всех экспериментальных результатов видно, что TiO ₂ наночастицы могут увеличивать теплопроводность базовых жидкостей. Однако шаги разных исследований сильно различаются. Например, одно увеличение теплопроводности наножидкостей примерно в 2–4 раза превышает объемную загрузку TiO ₂ наночастицы, включая Masuda et al. [53], Тургут и др. [54], Zhang et al. [55], Wang et al. [56], Пак и Чо [57], Ян и др. [58] и результаты Mushed et al. [59]. Другое улучшение может достигать 6–20-кратного объема загрузки TiO ₂ наночастицы, включая Yoo et al. [60], Вен и Дин [61], Мушед и др. [62], He et al. [63], Chen et al. [64] и результаты Салеха и др. [65]

Зависимость теплопроводности TiO ₂ от объемной доли –Водные наножидкости в доступной литературе

Разница в результатах, вероятно, связана не только с объемными долями, но и с теплопроводностью TiO ₂ Наножидкости также определяются параметрами частиц и условиями окружающей среды, такими как размер и форма частиц, поверхностно-активное вещество, значение pH и температура, которые сильно различались в разных работах. Более того, некоторые исследователи заметили, что наночастицы мало влияют на теплопроводность TiO ₂ наножидкости. Утомо и др. [66] исследовали теплопроводность наножидкостей оксида алюминия и диоксида титана на водной основе. Они заметили, что теплопроводность TiO ₂ Наножидкости, которые они приготовили, были немного хуже, чем предсказание традиционной модели из-за высокого содержания диспергаторов. И результаты ясно показали, что TiO ₂ наножидкости не показывают аномального увеличения теплопроводности или коэффициента конвективной теплопередачи в потоке трубы, как показано в других отчетах.

Эффект формы частицы

Влияние формы и размера наночастиц не так широко изучено, как влияние загрузки частиц. Существующие исследования не показали большого влияния формы или размера частиц на теплопроводность TiO ₂ . наножидкости, что, скорее всего, связано с относительно небольшими количествами этого эффекта. Murshed et al. [62] диспергировали два вида TiO ₂ . наночастицы воды с использованием ЦТАБ в качестве диспергатора. Один тип имеет форму стержня диаметром 10 нм × 40 нм. Другой тип имеет сферическую форму диаметром 15 нм. Они заметили, что теплопроводность обоих видов TiO ₂ наножидкости увеличивались с увеличением загрузки частиц, в то время как стержневидные частицы вносили больший вклад, чем сферические. Максимальное увеличение теплопроводности для первого и второго составило около 33 и 30% соответственно. Chen et al. [64] исследовали эффективную теплопроводность четырех типов наножидкостей, ортогонально сделанных из TiO ₂ . наночастицы (25 нм) и TiO ₂ нанотрубки (10 нм × 100 нм) с водой и EG в качестве базовой жидкости, соответственно. Они обнаружили, что различия между повышением содержания TiO ₂ наночастицы и TiO ₂ нанотрубки на теплопроводность были небольшими, в то время как усиление намного больше, чем расчетное значение уравнения Гамильтона – Кроссера.

Температурный эффект

Еще одним важным фактором, влияющим на теплопроводность TiO ₂ , является температура. наножидкости. На рисунке 2 показано влияние температуры на повышение теплопроводности TiO ₂ . наножидкости в разных исследованиях. Wang et al. [67] исследовали влияние загрузки частиц и температуры на теплопроводность TiO ₂ на водной основе. наножидкости. Результаты показали, что рабочая температура играет более важную положительную роль и вносит больший вклад в теплопроводность при более высокой температуре. Они также пришли к выводу, что результаты согласуются с теоретическими значениями, определенными с учетом зависящего от температуры броуновского движения и микроконвекции. Редди и др. [68] исследовали теплопроводность TiO ₂ . наножидкости для различной загрузки частиц в диапазоне 0,2–1,0% при разных температурах. И они заметили, что теплопроводность TiO ₂ наножидкостей увеличивается с увеличением как загрузки частиц, так и температуры. Ян и др. [58] добавлен TiO ₂ наночастицы в аммиак-воду для приготовления наножидкостей на основе бинарных флюидов. Они также обнаружили, что повышение температуры может привести к увеличению коэффициента теплопроводности бинарного TiO ₂ наножидкости в базовую жидкость.

Влияние температуры на повышение теплопроводности TiO ₂ наножидкости в разных исследованиях

Приведенные выше результаты показали, что TiO ₂ наночастицы могут вносить больший вклад в теплопроводность TiO ₂ наножидкости при более высокой температуре. Однако могут быть включены и некоторые необычные результаты о влиянии температуры. Тургут и др. [54] исследовали эффективную теплопроводность TiO ₂ на основе деионизированной воды. наножидкости при температурах 13, 23, 40 и 55 ° C. Они заметили, что теплопроводность увеличивается с увеличением загрузки частиц, но изменение температуры мало влияет на эффективную теплопроводность TiO ₂ наножидкости. Кроме того, некоторые результаты показали, что температура влияет на эффективную теплопроводность. Дуангтонгсук и Вонгвисес [69] приостановили TiO ₂ наночастицы в воде с диапазоном объемной нагрузки от 0,2 до 2%, и они собирали данные в диапазоне температур от 15 до 35 ° C. Они заметили, что измеренная теплопроводность TiO ₂ –Водяные наножидкости увеличивались с увеличением как загрузки частиц, так и температуры, но коэффициент теплопроводности уменьшался с увеличением температуры; они объяснили причину более быстрым ростом теплопроводности базовой жидкости.

Причина неопределенной роли температуры на коэффициенте теплопроводности TiO ₂ наножидкости могут быть связаны со сложным механизмом теплопроводности наножидкостей. При изменении температуры могут изменяться другие параметры, такие как структура, поверхностная активность, стабильность частиц, характеристики диспергатора и т. Д., И эти параметры, как правило, сильно различаются в разных работах. Следовательно, влияние температуры на коэффициент теплопроводности TiO ₂ Наножидкости относятся к определенным типам наночастиц и базовых жидкостей. Это наблюдение может быть дополнительно улучшено исследованием Кабалейро и др. [41], в котором для анатаза и рутила TiO ₂ изучалась температурно-зависимая теплопроводность. наножидкости с этиленгликолем и пропиленгликолем в качестве базовой жидкости соответственно. Температурная зависимость теплопроводности этих четырех видов TiO ₂ Наножидкости показаны на рис. 3. Можно заметить, что все четыре типа наножидкостей демонстрируют более высокую теплопроводность, чем соответствующие базовые жидкости. Температура играла разные роли для TiO ₂ . наножидкости, содержащие наночастицы с различной нанокристаллической структурой и с разными базовыми жидкостями. Теплопроводность увеличивалась с увеличением температуры для наножидкостей на основе ЭГ, с максимальным приростом 11,4% от температуры в исследуемом диапазоне, в то время как для наножидкостей на основе ПГ она казалась почти независимой от температуры.

Температурная зависимость теплопроводности четырех видов TiO ₂ наножидкости [41]. Воспроизведено с разрешения Elsevier

Эффект базовой жидкости

Компоненты базовых жидкостей также могут влиять на теплопроводность TiO ₂ . наножидкости. Chen et al. [64] измерили эффективную теплопроводность сферического и трубчатого TiO ₂ . наножидкости с водой и этиленгликолем в качестве основных жидкостей соответственно. Они заметили, что оба улучшения TiO ₂ наночастицы и TiO ₂ нанотрубки с ЭГ в качестве базовой жидкости были выше, чем с водой в качестве базовой жидкости. Редди и др. [68] обнаружили, что повышение теплопроводности для TiO на водной основе, EG / W (40%:60%) и EG / W (50%:50%) ₂ наножидкости увеличились с 0,649 до 5,01%, с 1,94 до 4,38% и с 10,64 до 14,2% соответственно, когда объемная концентрация TiO ₂ наночастицы увеличились с 0,2 до 1,0% при комнатной температуре (30 ° C). Однако можно наблюдать и некоторые противоположные результаты, Cabaleiro et al. [41] обнаружили, что увеличение теплопроводности для TiO ₂ наножидкости с EG, PG или парафиновым маслом в качестве базовых жидкостей были значительно ниже, чем с водой в качестве базовых жидкостей. Кроме того, в отчете Sonawane et al. [70] влияние основных жидкостей считалось сложным и недоступным, поскольку теплопроводность TiO ₂ Наножидкости с содержанием частиц 1 об.% следовали следующей последовательности:наножидкость на основе парафинового масла> наножидкость на водной основе> наножидкость на основе EG, тогда как чистые базовые жидкости следовали последовательности вода> EG> парафиновое масло. Они проанализировали это ошибочное наблюдение с точки зрения эффекта вязкости и подумали, что более низкая вязкость базовой жидкости может внести больший вклад в повышение теплопроводности наножидкостей.

Эффект поверхностно-активного вещества

Добавление поверхностно-активного вещества - еще один важный фактор, влияющий на теплопроводность TiO ₂ . наножидкости. Некоторые результаты показали, что поверхностно-активные вещества положительно влияют на теплопроводность. Салех и др. [65] изучали влияние различных типов поверхностно-активных веществ на теплопроводность TiO ₂ . –Водные наножидкости, и результаты показаны на рис. 4. Можно видеть, что все три вида поверхностно-активных веществ могут значительно улучшить теплопроводность наножидкостей, а наножидкости с SDS в качестве стабилизатора показали наибольшее улучшение, за которым следовали те, которые содержали CTAB и Span-80 в качестве стабилизатора. И они думали, что стабильность дисперсии и поверхностные свойства частиц были связаны с улучшением теплопроводности наножидкостей.

Влияние различных ПАВ на теплопроводность TiO ₂ –Водяные наножидкости [65]. Воспроизведено с разрешения Elsevier

Есть также несколько разных результатов по действию ПАВ. Ян и др. [58] обнаружили, что при увеличении содержания аммиака в основных жидкостях коэффициент теплопроводности TiO ₂ наножидкости также увеличатся, потому что стабильность TiO ₂ Наножидкости аммиак-вода будут улучшены при более высоком значении pH. А поверхностно-активные вещества PEG1000 и PAA в низкой концентрации оказывают относительно меньшее влияние, чем другие факторы воздействия, на теплопроводность, например, содержание частиц или аммиака, температуру. Однако PEG1000 может улучшить стабильность TiO ₂ наножидкости аммиак – вода, которые вызывают улучшение теплопроводности наножидкостей. Murshed et al. [62] обнаружили, что олеиновая кислота и ЦТАБ могут улучшить стабильность дисперсии TiO ₂ . наножидкостей без влияния на теплофизические свойства наножидкостей и однофазный коэффициент теплопередачи, поскольку содержание поверхностно-активных веществ, используемых в их экспериментах, было очень низким, а именно. 0,01–0,02 об.%. Есть также некоторые результаты, которые показали, что поверхностно-активные вещества оказывают угнетающее действие. Утомо и др. [66] исследовали теплопроводность Al ₂ на водной основе. О ₃ и TiO ₂ наножидкости. Они обнаружили, что высокая загрузка стабилизаторов может привести к снижению эффективной теплопроводности этих двух типов наножидкостей.

Эффект ультразвуковой обработки

Обработка ультразвуком также показала некоторые эффекты на теплопроводность TiO ₂ наножидкости. Ismay et al. [71] обнаружили, что теплопроводность TiO ₂ - водные наножидкости достигли максимума при значении pH, близком к 7, и были дополнительно улучшены с помощью 2-часовой обработки ультразвуком. И они думали, что агрегация может объяснить наблюдаемые улучшения из-за эффекта перколяции. Sonawane et al. [70] провели конкретное исследование влияния ультразвукового времени на теплопроводность, и результаты показаны на рис. 5a – c. Его можно найти для всех трех видов наножидкостей в различных концентрациях, увеличивающиеся пропорции теплопроводности сначала увеличивались, а затем уменьшались по мере увеличения времени обработки ультразвуком, а максимальное приращение происходило при времени обработки ультразвуком 60 мин. Они объяснили причину следующим образом:оптимальное время обработки ультразвуком 60 минут может усилить броуновское движение наночастиц и межмолекулярное взаимодействие между частицами и объемной жидкостью, что привело к увеличению теплопроводности. Однако длительная обработка ультразвуком, превышающая 60 минут, могла вызвать кластеризацию и агрегацию наночастиц, что считалось причиной снижения переноса тепла и теплопроводности в наночастицах.

Процент увеличения теплопроводности в зависимости от времени обработки ультразвуком. а Базовая жидкость:вода. б Базовая жидкость:этиленгликоль. c Базовая жидкость:парафиновое масло. Перерисовано на основе экспериментальных данных из ссылки [70]

Теоретические исследования

Теоретическое изучение наножидкостей - одна из горячих точек исследований в области наножидкостей. В последние годы было предложено множество моделей теплопроводности. Обычно считается, что для TiO ₂ можно использовать самые обычные модели. наножидкости, если нет особых ограничений. Однако из-за большой разницы в экспериментальных данных теплопроводности TiO ₂ наножидкостей, практически невозможно, чтобы одна модель соответствовала всем различным результатам. Из-за того, что традиционные модели трудно применить к конкретному случаю, некоторые целевые модели теплопроводности для TiO ₂ наножидкости также предлагаются в последние годы. В таблице 1 представлена ​​сводка имеющихся уравнений модели теплопроводности, специально предназначенных для TiO ₂ . наножидкости. Можно видеть, что в некоторых моделях учитывались такие факторы, как межфазный слой [59, 72], броуновское движение [73, 74], размер частиц и соотношение сторон [72, 75] и агрегация [76]. И есть также некоторые модели, которые предлагаются просто путем экспериментальной подгонки или дисперсионного анализа [68, 74, 77,78,79,80,81,82]. Можно сделать вывод, что эти модели подходят только для их индивидуальных случаев. Хотя теоретические исследования теплопроводности наножидкостей получили большое развитие, наиболее существенный недостаток заключается в большой разнице в экспериментальных результатах. Довольно сложно всесторонне и точно понять процесс теплопроводности в наножидкости, поскольку наноструктуру и микродвижение частиц трудно описать количественно. Поэтому из-за низкой точности моделей для конкретного случая применения лучший способ получить теплопроводность наножидкостей для разработки системы нанесения - это провести предварительный эксперимент.

Приведенный выше анализ показывает, что в настоящее время все еще существуют разногласия и несоответствия относительно факторов влияния на теплопроводность TiO ₂ . наножидкости. Хотя загрузка частиц продемонстрировала положительную корреляцию с теплопроводностью наножидкостей, влияние других факторов, включая форму частиц, размер, тип базовой жидкости, температуру, поверхностно-активное вещество и обработку ультразвуком, единообразно. Даже для эффекта загрузки частиц интенсивность роста теплопроводности сильно различается для разных образцов. Несоответствия теплопроводности наножидкостей в различных исследованиях в основном объясняются тем, что на теплопроводность одновременно влияют многие факторы, особенно некоторые микроскопические параметры, такие как кластеризация частиц и микродвижение, которые довольно трудно поддаются количественному анализу или измерению.

Еще одно противоречие - механизм увеличения теплопроводности наножидкостей. Считается, что кластеризация и сбор частиц ответственны за увеличение теплопроводности наножидкостей [48, 50, 51]. Однако стабильные наножидкости с меньшим количеством агрегаций при использовании подходящего поверхностно-активного вещества или обработки ультразвуком также показали более высокую теплопроводность [62, 65, 66, 70, 71]. Основным механизмом увеличения теплопроводности наножидкостей является кластеризация частиц, микродвижение или некоторые другие факторы, требующие дальнейшего анализа.

Поглощение солнечной энергии

Как чистый источник возобновляемой энергии, солнечная энергия оказывает минимальное воздействие на окружающую среду. Однако развитие солнечного теплового коллектора ограничивается плохими абсорбционными свойствами обычной рабочей жидкости. Поэтому в последние годы в солнечных коллекторах постепенно стали применяться наножидкостные технологии для получения превосходных тепловых и оптических свойств. Ожидается, что это новое поколение жидкости для теплопередачи и поглощения солнечной энергии может повысить эффективность использования солнечной энергии.

Как показано на рис. 6, типичная схематическая диаграмма концентрирующей солнечной системы нагрева воды на основе наножидкостей может быть обнаружена в отчетах Хуллара и др. [83]. Они думали, что можно добиться значительного сокращения выбросов и экономии энергии при использовании концентрирующего солнечного коллектора на основе наножидкостей. Chaji et al. [84] исследовали влияние содержания частиц и расхода жидкости на эффективность мелкомасштабного плоского пластинчатого коллектора с TiO ₂ . наножидкости. Они нашли индекс эффективности коллектора с использованием TiO ₂ количество наножидкостей было увеличено на 2,6–7% по сравнению с базовой жидкостью в соответствии с европейским стандартом EN12975-2. Саид и др. [85] использовали TiO ₂ –H ₂ Наножидкость O в качестве рабочего тела для улучшения характеристик плоского солнечного коллектора. Они заметили, что приготовленные наножидкости могут оставаться стабильными более 1 месяца. Результаты показали, что по сравнению с жидкостью на водной основе энергоэффективность может быть увеличена на 76,6 об.% Нагрузки и скорости потока 0,5 кг / мин, а максимальная эксергетическая эффективность 16,9% может быть достигнута в этих рабочих условиях.

Схема концентрирующей солнечной водонагревательной системы на основе наножидкостей. Перерисовано на основе ссылки [83]

Теоретические исследования производительности солнечного коллектора с использованием наножидкостей также были развиты в последние годы. Алим и др. [86] теоретически исследовали генерацию энтропии, характеристики теплопередачи и перепад давления Al ₂ . О ₃ , CuO, SiO ₂ , и TiO ₂ наножидкости в плоском пластинчатом солнечном коллекторе при ламинарном потоке. Они обнаружили, что все виды наножидкостей могут улучшить характеристики, в то время как коэффициент трения был почти таким же, как у жидкости на водной основе. Faizal et al. [87] также провели численное исследование характеристик этих четырех видов наножидкостей в солнечном коллекторе. Они отметили, что экономия энергии при использовании всех четырех видов наножидкостей может превышать 20%, что приведет к сокращению выбросов парниковых газов.

Повышение производительности с помощью наножидкостей в солнечных коллекторах обычно объясняется двумя основными факторами:улучшенными характеристиками теплопередачи и оптическими свойствами. Поэтому исследователи также исследовали оптические свойства наножидкостей в солнечной абсорбционной системе. Саид и др. [88] выполнили как экспериментальные, так и аналитические исследования характеристик поглощения солнечной энергии TiO ₂ . и Al ₂ О ₃ наножидкости. Для исследования светочувствительности они использовали две объемные доли от 0,1 до 0,3 об.%. Некоторые классические теории, включая подходы Рэлея, Максвелла – Гарнетта и Ламберта – Бера, были приняты в их аналитическом анализе. Они пришли к выводу, что оптические свойства TiO ₂ наножидкости были выше, чем у Al ₂ О ₃ наножидкости в диапазоне видимого света при любой загрузке частиц. He et al. [89] сравнили эффективность преобразования света в тепло TiO ₂ - вода и УНТ - наножидкости воды в вакуумированном трубчатом солнечном коллекторе как в солнечных, так и в пасмурных условиях. Они заметили, что приращение температуры наножидкости УНТ-вода выше, чем у TiO ₂ –Водяные наножидкости, что указывает на то, что характеристика преобразования света в тепло у первых лучше, чем у вторых.

Саид и др. [90] полагали, что большая часть исследований была сосредоточена на фундаментальных теплофизических и оптических свойствах наножидкостей; редко проводились исследования некоторых важных факторов рассеяния и поглощения, включая размер, форму и содержание частиц, а также базовый тип жидкости. Чтобы изучить эти факторы, они провели соответствующие исследования и обнаружили, что размер частиц мало влияет, когда они меньше 20 нм, а их содержание прямо пропорционально коэффициенту экстинкции. Для наножидкостей, содержащих 20 нм TiO ₂ Для наночастиц коэффициент пропускания был почти нулевым для длин волн от 200 до 300 нм, но 71% для 400 нм и 88% для 900 нм соответственно. Они также предположили, что объемная доля TiO ₂ наночастицы должны быть ниже 0,1%, при этом можно получить гораздо лучший результат.

Kim et al. [91] провели подробное теоретическое исследование с использованием MWCNT, Al ₂ О ₃ , CuO, SiO ₂ , и TiO ₂ наножидкости на основе PG (пропиленгликоль) – вода (20:80) в высокотемпературном солнечном коллекторе с U-образной трубкой. Они обнаружили, что эффективность солнечного коллектора имеет явно положительную корреляцию с теплопроводностью добавленных наночастиц, поскольку она находится в последовательности от наибольшего к наименьшему:MWCNT, CuO, Al ₂ О ₃ , TiO ₂ , и SiO ₂ наножидкости. Они также проанализировали сокращение выбросов CO ₂ и SO ₂ а также потребление электроэнергии и энергии во всем мире. Их результаты подтверждают, что наножидкости обладают большим потенциалом для экономии энергии и сокращения выбросов. Поскольку в их теоретических результатах не учитывалась ситуация с дисперсией различных наножидкостей, фактические характеристики необходимо проверить экспериментально.

По совпадению, аналогичное экспериментальное исследование плоского пластинчатого солнечного коллектора с использованием различных наножидкостей было проведено Verma et al. [92]. Результаты экспериментов показали, что при объемной загрузке частиц 0,75% и скорости потока 0,025 кг / с эксергетическая эффективность наножидкостей по сравнению с водой увеличивается на 29,32, 21,46, 16,67, 10,86, 6,97 и 5,74%, соответственно, для графена. , CuO, Al ₂ О ₃ , TiO ₂ , и SiO ₂ наножидкости. Кроме того, за этой последовательностью следовало падение генерации энтропии. Их результаты также подтвердили, что эффективность солнечного коллектора имеет положительную корреляцию с теплопроводностью добавленных наночастиц.

Однако есть и исследования, дающие разные результаты. Махиан и др. [93] проанализировали производительность солнечного коллектора на основе миниканала с использованием четырех различных водных наножидкостей с Cu, Al ₂ О ₃ , TiO ₂ , и SiO ₂ наночастицы соответственно. Их результаты показали Al ₂ О ₃ наножидкости показали самый высокий коэффициент теплопередачи, тогда как самое низкое значение принадлежало SiO ₂ –Водяные наножидкости, но температура на выходе была следующей:Cu> TiO ₂ > Аль ₂ О ₃ > SiO ₂ наножидкости. Они также заметили, что образование энтропии TiO ₂ –Воды ниже, чем у Al ₂ О ₃ –Водяные наножидкости, несмотря на то, что теплопроводность первых ниже, чем у вторых.

Холодильное оборудование

Нанохладагент - это особый вид наножидкости, который состоит из наночастиц и хладагента, а также возможной смазки. Нанохладагент - это хладагент нового поколения для использования компрессионного или абсорбционного охлаждения, систем кондиционирования воздуха, тепловых насосов и т. Д. В последние годы многие исследования, касающиеся нанохладагентов, показали, что добавление наночастиц в хладагенты или смазочные материалы может улучшить работу системы. и энергоэффективность.

В таблице 2 представлена ​​сводка соответствующих исследований TiO ₂ . Нанохладагенты на основе наночастиц. It can be seen that the TiO₂ nanoparticles can work normally and safely with many kinds of refrigerants, including R134a, R600a, R436a, R436b, R141b, R123, R12, R22, and R410a. It can be seen that most results showed that adding TiO₂ nanoparticles could bring benefits to the refrigeration system and the lubricating oil system, such as improving the performance [94], reducing the energy consumption [95,96,97], and the irreversibility [98]. Also, some research focused on the heat transfer [99, 100] and pressure drop [101] of the nano-refrigerant system to investigate the effect mechanism of the nanoparticles. Ли и др. [102] investigated the coefficient of performance (COP) of the refrigeration system for both the cooling cycle and heating cycle, and the results showed that adding TiO₂ nanoparticle would lead to a slight decrease in COP of the cooling cycle but a significant increase in COP of the heating cycle based on the power consumption of the compression. Bi et al. [96] experimentally investigated the reliability and performance of a domestic refrigerator with HFC134a as refrigerant and Mineral oil with TiO₂ nanoparticles mixtures as lubricant. As illustrated in Fig. 7, the system main consists of fresh food storage room and frozen food storage room as well as refrigeration system pipelines. The results showed that the system TiO₂ nanoparticles works normally and safely and adding 0.1 wt.% TiO₂ nanoparticles can reduce 26.1% energy consumption while particle type has little effect on performance.

Schematic diagram of a domestic refrigerator with HFC134a, mineral oil and TiO₂ nanoparticles [96]. Воспроизведено с разрешения Elsevier

In addition, there is likewise a forward-looking study on the effect on the environment. Javadi and Saidur [103] observed that adding 0.1% of TiO₂ nanoparticles to mineral oil-R134a could result in the maximum energy savings of 25% and reduce the CO₂ emission by 7 million tons by year of 2030 in Malaysia.

It can be seen from Table 2 that the amounts of nanoparticles used in refrigerants were very low as below 0.1% [94,95,96,97,98,99,100,101,102,103], which can prevent clogging by the possible sedimentation of nanoparticles. However, although all results seemed positive, the long-term performance of the refrigeration system using nano-refrigerants is a great challenge.

Lin et al. [15] investigated the suspending ratio of (0.1 to 1%) nanolubricant–refrigerant after continuous alternation processes of condensation and evaporation. The schematic diagram and photographic view of their experimental system is shown in Fig. 8. They found that the degradation ratio was 28 to 73% after 20 times’ alternate operations. Also, they found lower particle loading can reduce the degradation speed. It can be concluded that the longtime performance of nano-refrigerant system is the essential step for further application in nano-refrigeration system.

а , b Experimental setup for condensation–evaporation alternation [15]. Воспроизведено с разрешения Elsevier

Energy Storage

The storage of latent heat is through the most efficient mean of storing thermal energy. The conventional PCMs have a shortcoming of inadequate heat transfer performance which can reduce the rate of storing and releasing thermal energy. Therefore, some researchers have studied the method of improving the heat transfer performance by adding nanoparticles into PCMs.

Usages of PCMs mainly include energy storage of heating or cooling capacity. Research on cool storage application of TiO₂ nano-PCMs is relatively rare. Лю и др. [104] find that thermal conductivity of saturated BaCl₂ aqueous solution increases remarkably when adding a small amount of TiO₂ наночастицы. They found the thermal conductivity was increased by 15.65% as the TiO₂ nanoparticle volume fraction was 1.13% at temperature of 15 °C. They thought this nanofluid is a good phase change materials (PCMs) with higher cool storage/supply capacity and rate compared with its base fluids, which exhibited good potential for being applied to cool storage as a substitute for conventional PCMs.

Another similar study was conducted by He et al. [105]. They also found the thermal conductivity of saturated BaCl₂ aqueous solution can be distinctly enhanced by 12.76% when adding a small amount of TiO₂ nanoparticles at −5 °C. Although decreases in the latent heat and specific heat and an increase in viscosity were found, those varieties have little effect on the cool storage system since the supercooling degree is reduced by 84.92%. They also thought that TiO₂ -saturated BaCl₂ aqueous solution is suitable for low-temperature energy storage industries.

Studies on cool storage of TiO₂ nano-PCMs are in the minority, while most PCM applications focus on the heat storage. Table 3 shows a brief summary on the thermal conductivities and the latent heat of TiO₂ nano-PCMs for thermal storage applications in existing literatures. Sharma et al. [106] prepared a composite of palmitic acid (PA) and TiO₂ nanoparticles with SDBS as dispersant for thermal energy storage application. The preparation steps of PA–TiO₂ composites are shown in Fig. 9. It can be observed that the dispersion methods including adding surfactant, stirring, and ultrasonic vibration were implemented under the condition that the temperature of the base PA is above the melting temperature to confirm its liquid state.

Preparation steps of PA–TiO₂ composites [106]. Воспроизведено с разрешения Elsevier

Their results showed that the thermal conductivity increased by 12.7, 20.6, 46.6, and 80% when the mass fractions of TiO₂ nanoparticle were 0.5, 1, 3, and 5%, respectively. And they considered this PCM could be a good candidate as potential solar thermal energy storage materials due to its high latent heat and thermal reliability of palmitic acid. Harikrishnan et al. [107] dispersed TiO₂ nanoparticles into PCM stearic acid and found this composite can accelerate the melting and solidification rates due to the enhanced heat transfer performance. They also observed that the addition of 0.3% nano-TiO₂ nanoparticles can increase the thermal conductivity of stearic acid by approximately 63%. In their another research [108], they used stearic acid and lauric as base PCM and found an increment of 42% in thermal conductivity and a reduction of only 2% of latent heat of fusion. Motahar et al. [109] dispersed the TiO₂ nanoparticles into organic PCM n-octadecane and found that the maximum enhancements of thermal conductivity in solid and liquid phases occurred at 3 and 4 wt.%, respectively. Moreover, the maximum average thermal conductivity enhancement for both phases was 26.6% when loading 5 wt.% nanoparticles.

Another experimental research focusing on the solidification process of PCM containing TiO₂ nanoparticles was also performed by Motahar et al. [110]. They observed that the rheological behavior of liquid PCM–TiO₂ at higher loading tends to Bingham fluids so that their solidification experiments were performed within 0–2.17 Bingham numbers. The results showed that the addition of TiO₂ nanoparticles can enhance the thermal conduction process and hence increase the solidified volume. For particle mass loading of 1, 2, and 4%, the solidified volume fraction was increased by 7, 9, and 18%, respectively. At last, they proposed a universal correlation to predict the solidified volume fraction as a function of Fourier number, Rayleigh number, solid Stefan number, Bingham number, and particle loading.

Most of the results showed that when adding TiO₂ nanoparticles, the thermal conductivity of PCMs can be greatly increased, while the latent heat will be decreased slightly, which is probably as a result of the thermal conductivity of nanoparticles which is much larger than the base composite, while the nanoparticles will not take part in the phase changing process as the base composite. However, in some case, both of the thermal conductivity and latent heat capacity of PCMs were considered to be elevated. Wang et al. [111] prepared nano-PCMs by adding TiO₂ nanoparticles into paraffin. They found the addition of TiO₂ nanoparticles can change the phase transition temperature and latent heat capacity of paraffin. The phase transition temperature dropped with <1% loading, while increased with>2% loading of particles. The latent heat increased firstly and then decreased as the loading of particles increase. And the turning concentration is 0.7 wt.%, at which a maximum latent heat capacity can be achieved. While the thermal conductivity of the nano-PCMs increased monotonously with the loading of TiO₂ наночастицы. When the loading of TiO₂ nanoparticles reached 7 wt.%, the thermal conductivity was increased by 13% but the latent heat was reduced by 9%.

Heat Pipes

The characteristics of boiling heat transfer and critical heat flux enhancement of nanofluids can be utilized in the heat pipe to improve its performance and broaden the application range. And some numerical results [112, 113] have shown that for thermosyphon heat pipe, using the nanofluid could achieve a better heat transfer characteristics. Also, some researchers have carried out related research using TiO₂ наножидкости.

Zhou et al. [114] tested gravity heat pipes filled with DI water and TiO₂ nanofluids, where the concentration and filling ratio of nanoparticles were varied and the initial temperature distribution was given. The result indicated that the heat pipes filled with nanofluids had a lower start-up temperature and a shorter start-up time in evaporation section under the condition of a water bath. And the biggest temperature drop between the evaporation section and the condensation section for heat pipes filled with TiO₂ nanofluids was lower than those filled with DI water. The start-up time of heat pipes with filling ratios ranged between 50 and 70% in the evaporation section increased with the increase of the filling ratio and heating temperature, but the small inclination angle had a negative effect on the start-up performance.

Saleh et al. [65] collected data from different nanofluid experiments, where particle volume loading was up to 1.0% and the temperature of measurements ranged from 10 to 60 °C. They discovered that these data agreed with the classical Brownian motion theoretical model. They also investigated experimentally the effect of nanofluids on the thermal performance of heat pipes by measuring the wall temperature and thermal resistance distributions between the evaporation and condensation section. They found that distilled water and nanofluids achieved the best heat transfer performance when the inclination was set to 45° and the charge volume ratio of working fluid was 60%.

In 2015, Monirimanesh et al. [115] designed a thermosyphon-type heat pipe heat exchanger (HPHX) using TiO₂ nanofluids as the working fluid to save energy in an air conditioning system. Their experimental apparatus was constructed as shown in Fig. 10. They establish a pre-cooling and pre-heating device to produce altered conditions of the inlet air for investigating the performance of HPHX. The evaporator and condenser section of the HPHX functioned as a pre-cooler and reheating coil for the air conditioning system respectively. They also employed an electric heater and electric boiler to supply heat and steam into the entered fresh air by a fan for the purpose of simulating the hot and humid climate. Their results showed that using TiO₂ nanofluids and increasing the HPHX number of rows could make a part of air condensed on the evaporator fin, which could enhance the energy in the pre-cooling section. The use of 3 wt.% TiO₂ –methanol nanofluids in a four-row HPHX could achieve the highest energy savings ranging from 30.6 to 32.8% when the inlet air under the properties of 45 °C and 50–74% relative humidity. Based on a comprehensive consideration of the main purpose of supplying the energy required for reheating, they suggested that 2 wt.% TiO₂ –methanol nanofluid for the four-row HPHX would have been adequate and more economical.

Schematic of the experimental apparatus [115]. Reproduced with permission from Springer

Mass Transfer

The mass transfer of nanofluids is another important application aspect of TiO₂ наножидкости. Current research has shown that TiO₂ nanofluids can be used to enhance the absorption process of CO₂ and NH3 as well as the mass transfer coefficient of electrolyte fluids.

Ли и др. [116] prepared stable N -methyldiethanolamine (MDEA)-based nanofluids to strengthen the absorption performance of CO₂ in the MDEA solution. The CO₂ absorption characteristics in the gas/liquid interface of nanofluids were investigated by measuring the absolute pressure drop of gas. The mass fraction of MDEA was 50%. And they used two particle mass fractions of 0.1 and 0.4%. The results showed that the CO₂ absorption rate increases with increasing temperature and it is enhanced by the added nanoparticles. However, at 20 and 30 °C, the enhancement caused by the mass fraction of nanoparticle (0.1 and 0.4%) reduced gradually. The effective absorption ratio varied from 1.03 to 1.14. Also, CO₂ bubble absorption ratio increased with the increase of nanoparticle mass fraction.

Yang [117] prepared stable TiO₂ nanofluids without adding dispersant and then carried out a comparative experiment on the falling film performance of absorption of ammonia gas by nanofluids and pure water. The schematic diagram of the experimental system for NH₃ –H ₂ O nanofluid falling film absorption is shown in Fig. 11. They found that the absorption rate of ammonia gas can be increased by 10% when adding anatase TiO₂ наножидкости. Wu [118] used the similar experimental device but changed the falling film tube of Fig. 11 into a fin tube. He investigated the effect of rutile TiO₂ nanofluids on the ammonia absorption performance of falling film outside a fin tube. The result showed that the combined use of zigzag tubule and TiO₂ nanofluids can strengthen the ammonia–water falling film absorption and the maximum increment can reach 60.8%.

Schematic diagram of the experimental system for NH₃ –H ₂ O nanofluid falling film absorption [117]. 1 NH3 vessel, 2 decompression valve, 3 constant pressure controller, 4 , 11 container of solution, 5 inlet of cooling water, 6 , 10 constant flow controller, 7 falling film tube, 8 visible absorber body, 9 solution distributor, 12 tubes for balancing pressure, 13 outlet of cooling water, 14 HP data acquisition instrument, 15 computer

Beiki et al. [119] investigated experimentally the turbulent mass transfer characteristics of TiO₂ and γ-Al₂ О ₃ electrolyte nanofluids in a circular tube. The results showed that adding 0.015 vol.% TiO₂ and 0.01 vol.% γ-Al₂ О ₃ could bring an increase in mass transfer coefficient of the electrolyte solution by 18 and 10%, respectively. They found that the enhancement ratio was independent of Reynolds number. The mass transfer coefficients increased firstly and then decreased as the nanoparticle loading increase. They attributed the cause of the existing of optimal particles’ loading to the clustering of nanoparticles and forming bigger agglomerates with smaller Brownian velocity when exceeding the optimum loading.

Coolant of Milling

As a coolant, nanofluids’ heat transfer enhancement characteristic can improve the cooling performance [120]. Moreover, when nanofluids are used for milling, another characteristic of nanofluids viz. enhancement in wear resistance can also play an important role in extending the lifetime of the milling tool.

Yogeswaran et al. [121] investigated experimentally the effects of coolant of TiO₂ –EG nanofluid on the tool wear and workpiece temperature at the various milling conditions when used for milling a stainless steel AISI 304. The milling tool was made of a TiN-coated carbide insert. The results showed that comparing to pure base fluid, the workpiece temperature was reduced by 30% when using the nanofluid as coolant. The tool wear from milling using the EG-based TiO₂ nano-coolant is much less than using the normal commercial coolant because the nanofluids can reduce the heat penetrating into the inserts. And the tool life is increased as a result of the nanoparticles reduces the damage on the edge of the tool.

Muthusamy et al. [122] also compared the efficiency of nanoparticle-based coolant (TiO₂ –EG) and conventional water-soluble coolant on the tool life and wear performance of a TiN-coated carbide insert in the end-milling process of AISI304 stainless steel. The results showed that using TiO₂ –EG nanofluid as coolant could increase the tool life from 32.67 to 54.9 min (increased by 40.55%) comparing to that using TiO₂ –EG nanofluid as coolant instead of water-soluble coolant. They attributed the cause to a Ti nanoparticle layer on the edge of the insert formed during the milling process when using TiO₂ –EG nanofluid, which can be proved from the SEM and EDX of cutting edge as shown in Fig. 12. When using nanofluids as coolant, the oxidation still occurred despite the cutting temperature was reduced at the interface of the tool and workpiece since it can be found from Fig. 12 the O peak on the EDX spectrum. The hard oxidation layer was formed due to the entering of oxygen from TiO₂ –EG nanofluid into the tool–workpiece interface. Then, the hard oxidation layer can protect the tool from micro-cracking and chipping wear because it could not be easily detached despite under the severe impact of the milling force and took parts of the tool surface from the workpiece.

SEM and EDX of cutting edge [122]. At a cutting speed of 1500 rpm, feed rate of 0.02-mm tooth, and axial depth of 0.1 mm using nanoparticle-based coolant at a cutting distance of 180 mm (×60 magnification). Reproduced with permission from Springer

Challenges and Future Works

Challenges

The above energy-related examples have exhibited the extensive application prospect and excellent properties of TiO₂ наножидкости. Although in some cases, especially in heat transfer applications, the heat transfer performance of TiO₂ nanofluids are not better than that of Ag, Cu, and CNT nanofluids, TiO₂ nanofluid is also a good choice due to their comprehensive properties for instance better dispersion and chemical stability, security, and economy.

Although TiO₂ nanofluids have showed great enhancement in heat transfer of solar collectors, refrigeration, energy storage, heat pipes, and coolant of milling, the investigations on the performances including dispersion stability and heat transfer performance after running operations are in great lack. Most dispersion stability studies are in static conditions, but it is important that the nanofluids prepared should be treated in the practical application conditions to examine the dynamic cycle stability and the sustainability of both system performance and components of nanofluids.

Generally, the biggest downside in application of nanofluids is the sedimentation and degeneration of nanoparticles after long running which makes the long-term performances of nanofluid system challenged. Some researchers have proposed a new idea and a novel method to re-disperse the aggregates in real time of the running system [123]. However, the concrete effect of the device has to be verified experimentally, and then, the design and location of the re-dispersion device needs to be improved. The surfactant is expected to have positive effect on the re-dispersion characteristic of aggregates. However, one of the biggest flaws in using surfactants is the occurrence of foaming when the fluids are under flowing or heating conditions which would have adverse impacts on the heat or mass transfer application of nanofluids. This defect suggests the amount of surfactant employed in the nanofluids should be limited.

Another great limitation in application of nanofluid is the increase in pumping power and pressure drop of nanofluids, which is essential for the high-quality application of solar collectors, refrigeration, and heat pipes. For instance, Sajadi and Kazemi [124] found the proportional increase in pressure drop of TiO₂ nanofluids is higher than that of heat transfer coefficient. While Teng et al. [125] found the pressure drop proportion of TiO₂ nanofluids for turbulent flow is lower than that for laminar flow. Therefore, if the extra energy consumption by the increased viscosity of nanofluids exceeds the benefit from the heat or mass transfer enhancement, there will be no application prospect. The most extreme case is when a large amount of agglomerations emerge, the pumping power and pressure drop of nanofluids will be greatly increased, which might lead to serious impact on system performance. Moreover, based on the similarity principle in heat transfer study, for instance in forced convection process, Nusselt number is determined by Reynolds number and Prandtl number, different thermal conductivity and viscosity will induce different Nu even though for the same experimental heat transfer coefficient. Therefore, the properties of nanofluids are essential for quantitative study in those application fields.

Future Works

As a widely used material in considerable fields, TiO₂ has been explored several hundred years, and its nanofluidic form is also firmly worth studying and expected to make greater contributions owing to the outstanding physical and chemical properties. This paper provides a summary of the research outcomes of TiO₂ nanofluids up to now, including the preparation and stability of TiO₂ as well as three vital properties of TiO₂ наножидкости. It can be concluded that TiO₂ nanofluids show very comprehensive applications in heat transfer or other energy fields due to their good dispersion stability in both hydrophilic and lipophilic liquids, nontoxic and non-corrosive natures, chemical stability, lower price, and good appearance. Therefore, TiO₂ nanofluid is thought as one of the closest kinds to practical industrial application environment because of their better dispersion and chemical stability, security, and economy.

However, although TiO₂ nanofluids have shown enormously exciting potential applications, before commercialization of nanofluids, some urgent problems are summarized as follows:

Firstly, acquiring high-quantity nanofluid with outstanding long-term and high-temperature stability is the fundamental of the entire research since in any practical application, it is essential to have a stable suspension.

Secondly, the way to enhance and keep the stability of nanofluids in real time is a key issue in the actual use since the sedimentations of nanoparticles seem inevitable after a long-term running. The method to re-disperse the aggregation of nanoparticles in real time by adding some dispersion device in the system with functions of ultrasound or agitation might be a useful option [123].

Thirdly, although the surfactants were used to improve the dispersion and adhesion performance of nanoparticles in liquid, the effect of surfactants on the physical properties and system performance needs to be investigated. The amount of surfactants should be investigated experimentally owing to the positive and negative effects of surfactants.

Fourth, the pumping power or pressure drop of nanofluids is another challenge for the engineering application. Using nanofluids with higher viscosity than base fluids will induce a higher pressure drop and hence needs more pumping power [125]. The method to achieve higher heat transfer coefficient and lower pressure drop needs to be further studied.

Fifth, the waste management of the invalid nanofluids should also be considered when applying them to industrial systems. The impact on the environment by the nanofluids restricts many kinds of nanofluids containing heavy metal, toxic substance, or other hazardous substances. The super whiteness dyeing behavior of TiO₂ nanofluids should also be noticed to prevent the environment getting contaminated.

Sixth, although some studies have analyzed the entropy generation in tubes [126], microchannels [127], sheet, and other types of flow [128, 129], the entropy generation characteristic of nanofluid in the full system is actually the most important parameter for the full-system application or designing.

Last but not least, there is lack of evaluation index on the performance of nanofluids, especially on the stability, adhesion, and property sustainability of nanofluids. There is no unified indicator to evaluate the stability and adhesion of nanofluids. The uniform evaluation indexes on the different properties of nanofluids are needed [130].

The above problems are urgently needed to solve for the further application of TiO₂ nanofluids, which point out the directions of the future works in this field. It is believed that these problems and challenges will be solved or reduced with the development of nanofluid technology in the future.

Conclusions

This second part of the review summarizes recent research on application of TiO₂ nanofluids and identifies the challenges and opportunities for the further exploration of TiO₂ наножидкости. It can be concluded that although particle loading has exhibited a positive correlation with thermal conductivity of nanofluids, the effects of other factors including particle shape, size, base fluid type, temperature, surfactant, and sonication are unified. Even for particle loading effect, the intensities of growth in thermal conductivity differ widely for different samples. TiO ₂ nanofluids have shown good applications in many energy-related filed. However, the indeterminacy of long-term performances for both nanofluid and system and the increment in pressure drop are needed to investigate for further application. The forecast research hotspots are regarded as the long-term and high-temperature stability and re-disperse the aggregation of nanoparticles in real-time system, the required amount of surfactants, the heat transfer and pumping power characteristics, and the evaluation index on the stability, adhesion, and property sustainability of nanofluids.