研究背景

目前，大多数工业过程都涉及热能的使用。如果可以以更快的速度从过程中添加或提取热能，那么大多数工业过程将在节省时间和生产力方面受益。如果热加工过程可以提高效率，那么也可以节省能源并延长设备的使用寿命。已经进行了大量研究以了解和开发提高此类系统中传热速率的方法。其中几项研究报告称，在基液中添加纳米颗粒可以提高传热效率。然而，如果我们希望改善各种工业过程的加热、冷却或能量回收，仍然需要深入了解使用纳米粒子的相变传热的战略利基。受相变过程的复杂物理特性以及通过使用纳米粒子来增强采用这些过程的系统的潜力的推动，这一观点对优化纳米工程材料在相变传热和储能应用中的性能的策略进行了定性讨论。

东南大学杨柳副教授、西安交通大学Omid Mahian教授与伦敦帝国理工学院Christos N. Markides 教授（Appl. Therm. Eng期刊主编）合作，在Cell旗下新晋高水平期刊《Cell Reports Physical Science》（IF=7.832）上发表综述“Nano-engineered pathways for advanced thermal energy storage systems”。

研究内容

全球近一半的能源消耗用于建筑物和流程的加热和冷却。通过增加先进的热能储存系统，这个数量可以大大减少。一种新兴的热能存储途径是通过纳米工程相变材料，这种材料具有非常高的能量密度，并且在选择其成分和形态时能够实现多种设计自由度。尽管文献表明这些先进材料为热能存储提供了明显的热力学提升，但它们受到更复杂的多尺度控制现象的影响（例如，整个介质的温度不均匀）。这篇综述重点介绍了为改善传热而提出的最有希望的配置，以及该领域未来的关键需求。并且得出结论：仍然需要付出巨大的努力来提升技术准备规模并创建商业上可行的新型纳米工程相变系统。

研究结果

从有关沸腾的文献中可以得出以下几点：

1.纳米粒子浓度对沸腾传热系数和临界热通量有显着影响。

2.纳米颗粒尺寸越大，沸腾传热性能越好。相反，较小的纳米颗粒尺寸可以增强纳米颗粒布朗运动引起的热量去除的重要性。

3.表面张力主要用于降低纳米粒子分散流体的传热系数。因此，添加高于最佳水平的表面活性剂会导致核沸腾传热急剧恶化。

4.颗粒的沉积影响表面粗糙度；因此，沸腾传热和传热系数通常会降低。

5.较小的纳米颗粒的热泳强度降低，这导致加热壁上的沉积增加并增加热传递速率。

图 1. 为纳米增强沸腾传热 (A) 核池沸腾装置开发的实验装置示意图。(B) 池沸腾装置(C) 电阻加热丝池沸腾设置。(D) 池沸腾临界热通量设施。(E) 泳池沸腾设施和加热器组件 (F) 流动沸腾设置。(G) 流动沸腾临界热通量实验回路。

关于纳米粒子增强蒸发，可以提出以下几点：

1.增加纳米粒子浓度会增加蒸发速率。

2.纳米颗粒大小决定了平均破碎液滴直径。

3.较高的纳米粒子初始浓度导致较大的残留沉积物，并且粒子在液滴表面的积累使有效面积比最小化并抑制蒸发速率。

4.由于纳米粒子吸收辐射，会发生温度升高，这使得蒸发速率增加。

5.微观物理机制对于提高蒸发速率和减轻稳定性问题至关重要。

图 2. 纳米增强蒸发过程的实验装置示意图 (A) 用于估计水性纳米流体蒸发速率的装置。(B) 纳米流体蒸发测量装置。(C) 辐射下纳米流体液滴蒸发的设置。(D) 设置研究近红外 (IR) 辐射对蒸发特性的影响 (E) 使用纳米流体产生太阳能蒸汽的设置。

关于纳米粒子工程凝聚机制，可以得出以下结论性意见：

1.添加纳米粒子可以提高冷凝传热系数，而最佳纳米粒子浓度高度依赖于流体的质量通量。

2.纳米颗粒的直径对纳米流体的热导率有显着影响，因此对冷凝速率也有显着影响。

3.微观物理机制对纳米粒子的运动有显着影响，因此对冷凝传热速率也有显着影响。

图 3. 为研究纳米增强制冷循环中的冷凝传热而开发的实验装置示意图 (A) 逆流管装置。(B) 圆形扁平管设置。(C) 水平 U 形管设置。(D) 垂直圆形管设置。(E) 管壳式逆流换热器设置。

图 4. 相变过程温度循环中加热/熔化和凝固/冻结现象的一般表示。

从有关 NePCM 固化的文献中可以强调以下几点：

1.由于提高了热导率，增加纳米粒子浓度可以加快凝固速率。然而，使用更大的纳米粒子会对凝固产生相反的影响。

2.纳米粒子的添加增加了液相的热导率，并且热导率与固相中的温度成线性比例。

3.表面活性剂质量浓度影响纳米分散流体的过冷度和冻结时间。

4.当纳米粒子直径较大时，沉降较快，因此较大粒子分散流体的过冷度和冻结时间更接近于去离子水。

5.施加洛伦兹力可以促进相变凝固过程。

6.微观物理机制，例如布朗运动，对凝固过程具有主要影响并促进更高的凝固速率

图 5. 用于电池冷却的纳米增强相变能量，说明能量水平不断提高。

图 6. 余热回收研究的前 10 个国家和资助者。

下图所示是描绘五个类别的路线图：纳米粒子合成、纳米分散体制备方法、纳米增强性能评估、建模和技术。最近，人们对使用纳米粒子来控制相变过程的速度产生了兴趣。本综述提出了优化纳米工程材料在相变传热和储能应用中的性能的不同策略。还概述了纳米工程材料商业化潜在研究需求的路线图。

图 7. 纳米工程传热和储能系统的路线图

论文合作作者还包括：伯明翰大学丁玉龙院士，南方科技大学王连平教授等著名学者。

文章链接

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101007

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