Auf dem Weg zu TiO2-Nanofluiden – Teil 2:Anwendungen und Herausforderungen

Anwendung zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit

Da die herausragende Leistungsfähigkeit von Nanofluiden im Allgemeinen auf die physikalischen Eigenschaften von Fluiden unter Zusatz von Nanopartikeln zurückgeführt wird, sollten die experimentellen oder theoretischen Untersuchungen zur Wärmeleitfähigkeit von Nanofluiden ein wichtiges Thema im Bereich der Nanofluide sein. Obwohl die meisten Übersichtsartikel die Wärmeleitfähigkeit im Teil der physikalischen Eigenschaften eingeführt haben, ist die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit auch ein wichtiger Anwendungsaspekt von Nanofluiden. Ein weiterer Grund, die Wärmeleitfähigkeit in den Anwendungsteil aufzunehmen, besteht darin, den Inhalt der beiden Bewertungen auszugleichen.

Viele experimentelle und theoretische Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass die Zugabe von Nanopartikeln die Wärmeleitfähigkeit von Flüssigkeiten deutlich verbessern kann. Die Einflussfaktoren auf die Wärmeleitfähigkeit von Nanofluiden können in folgende Gruppen induziert werden:(1) interne Faktoren, einschließlich Partikeltyp, Gehalt [36, 37], Größe [38], Form [39] und Struktur [40] und Art der Basisflüssigkeit [41] und wahrscheinliches Tensid oder pH-Regulator [42, 43] falls vorhanden; (2) externe Faktoren, einschließlich Temperatur [40], Überschallschwingzeit [44], Lagerzeit [45] oder Laufzeit [46]; und (3) mikrokosmische Faktoren, wie Oberflächenladungszustand von Nanopartikeln [47], Partikelcluster [48], die Grenzflächen-Nanoschicht [49], Brownsche Bewegung [50], die Aggregation [51], der thermische Grenzflächenwiderstand und die Masse Differenzstreuung [52]. Unsere vorherige Studie hat eine Tabelle bereitgestellt, die die Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ . zeigt Nanoflüssigkeiten [35]. Es ist jedoch nicht intuitiv und unbequem, die verschiedenen Einflussfaktoren auf den Einflussgrad zu verstehen. Daher werden in diesem Teil 2 die Einflüsse auf die Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ Nanofluide werden in Abbildungen gezeigt, um ein besseres Verständnis der Wahrnehmung zu ermöglichen.

Partikelladeeffekt

Eine Zusammenfassung des Anstiegs der Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ –Wasser-Nanofluide mit dem Volumenanteil von Nanopartikeln in der verfügbaren Literatur ist in Abb. 1 dargestellt. Aus allen experimentellen Ergebnissen ist ersichtlich, dass TiO₂ Nanopartikel können die Wärmeleitfähigkeit von Basisflüssigkeiten verbessern. Die Inkremente der verschiedenen Forschungen sind jedoch grundlegend unterschiedlich. Zum Beispiel ist eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von Nanofluiden etwa das 2- bis 4-fache der Volumenbeladung von TiO₂ . Nanopartikel, einschließlich Masuda et al. [53], Turgut et al. [54], Zhang et al. [55] Wang et al. [56], Pak und Cho [57], Yang et al. [58] und die Ergebnisse von Musshed et al. [59]. Die andere Verbesserung kann das 6- bis 20-fache der Volumenbelastung von TiO₂ . erreichen Nanopartikel, einschließlich Yoo et al. [60], Wen und Ding [61], Musshed et al. [62], He et al. [63], Chen et al. [64] und Saleh et al. [65] Ergebnisse.

Volumenanteilsabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ –Wasser-Nanofluide in den verfügbaren Literaturen

Die Unterschiede in den Ergebnissen sind wahrscheinlich neben den Volumenanteilen auf die Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ . zurückzuführen nanofluids wird auch durch die Parameter der Partikel und die Umgebungsbedingungen wie Partikelgröße und -form, Tensid, pH-Wert und Temperatur bestimmt, die in verschiedenen Arbeiten sehr unterschiedlich waren. Darüber hinaus beobachteten einige Forscher, dass Nanopartikel einen geringen Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ . haben Nanoflüssigkeiten. Utomoet al. [66] untersuchten die Wärmeleitfähigkeit von wasserbasierten Aluminiumoxid- und Titanoxid-Nanofluiden. Sie beobachteten, dass die Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ Nanofluids, die sie herstellten, war aufgrund des hohen Anteils an Dispergiermitteln etwas niedriger als die konventionelle Modellvorhersage. Und die Ergebnisse zeigten eindeutig, dass TiO₂ Nanofluide zeigen keine anomale Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit oder des Konvektionswärmeübertragungskoeffizienten in einer Rohrströmung, wie in anderen Berichten gezeigt.

Partikelformeffekt

Der Einfluss von Form und Größe von Nanopartikeln ist nicht so umfassend untersucht wie der der Partikelbeladung. Die vorliegenden Studien haben keine großen Auswirkungen der Partikelform oder -größe auf die Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ . gezeigt Nanofluids, was höchstwahrscheinlich auf die relativ geringen Mengen an diesem Effekt zurückzuführen ist. Murshed et al. [62] dispergierte zwei Arten von TiO₂ Nanopartikel-Wasser unter Verwendung von CTAB als Dispergiermittel. Ein Typ ist stabförmig mit einem Durchmesser mal Länge von 10 nm × 40 nm. Und der andere Typ hat Kugelformen mit einem Durchmesser von 15 nm. Sie beobachteten, dass die Wärmeleitfähigkeit beider Arten von TiO₂ Nanofluide nahmen mit zunehmender Partikelbeladung zu, während die stäbchenförmigen Partikel mehr Beiträge leisteten als kugelförmige. Die maximalen Verbesserungen der Wärmeleitfähigkeit für erstere und letztere betrugen etwa 33 bzw. 30%. Chenet al. [64] untersuchten die effektive Wärmeleitfähigkeit von vier Arten von Nanofluiden, die orthogonal aus TiO₂ . bestehen Nanopartikel (25 nm) und TiO₂ Nanoröhren (10 nm × 100 nm) mit Wasser bzw. EG als Basisflüssigkeit. Sie fanden heraus, dass die Unterschiede zwischen der Erhöhung von TiO₂ Nanopartikel und TiO₂ Nanoröhren auf die Wärmeleitfähigkeit waren nicht groß, während die Verbesserung viel größer ist als der Berechnungswert der Hamilton-Crosser-Gleichung.

Temperatureffekt

Die Temperatur ist ein weiterer wichtiger Einflussfaktor auf die Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ Nanoflüssigkeiten. Abbildung 2 zeigt den Einfluss der Temperatur auf die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ Nanofluide in verschiedenen Forschungen. Wanget al. [67] untersuchten den Einfluss von Partikelbeladung und Temperatur auf die Wärmeleitfähigkeit von wasserbasiertem TiO₂ Nanoflüssigkeiten. Die Ergebnisse zeigten, dass die Arbeitstemperatur eine wichtigere positive Rolle spielt und bei einer höheren Temperatur mehr zur Wärmeleitfähigkeit beiträgt. Sie kamen auch zu dem Schluss, dass die Ergebnisse mit den theoretischen Werten übereinstimmen, die unter Berücksichtigung der temperaturabhängigen Brownschen Bewegung und der Mikrokonvektion ermittelt wurden. Reddyet al. [68] untersuchten die Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ Nanofluide für unterschiedliche Partikelbeladungen im Bereich von 0,2–1,0% bei unterschiedlichen Temperaturen. Und sie beobachteten, dass die Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ Nanofluids nimmt mit steigender Partikelbeladung und Temperatur zu. Yanget al. [58] TiO₂ . hinzugefügt Nanopartikel zu Ammoniak-Wasser, um binäre flüssigkeitsbasierte Nanoflüssigkeiten herzustellen. Sie fanden auch heraus, dass die Temperaturerhöhung zu einer Erhöhung des Wärmeleitfähigkeitsverhältnisses von binärem TiO₂ . führen könnte Nanoflüssigkeiten zur Basisflüssigkeit.

Einfluss der Temperatur auf die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ Nanofluide in verschiedenen Forschungen

Die obigen Ergebnisse zeigten, dass TiO₂ Nanopartikel können mehr zur Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ . beitragen Nanoflüssigkeiten bei höherer Temperatur. Es können jedoch auch einige singuläre Ergebnisse über den Einfluss der Temperatur einbezogen werden. Turgutet al. [54] untersuchten die effektive Wärmeleitfähigkeit von entionisiertem wasserbasiertem TiO₂ Nanoflüssigkeiten bei Temperaturen von 13, 23, 40 und 55 °C. Sie beobachteten, dass die Wärmeleitfähigkeit mit zunehmender Partikelbeladung zunimmt, die Temperaturänderung jedoch nur geringen Einfluss auf die effektive Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ . hat Nanoflüssigkeiten. Darüber hinaus zeigten einige Ergebnisse, dass die Temperatur eine Rolle bei der effektiven Wärmeleitfähigkeit spielt. Duangthongsuk und Wongwises [69] suspendierten TiO₂ Nanopartikel in Wasser mit einem Volumenbeladungsbereich von 0,2 bis 2 % und sammelten die Daten bei einem Temperaturbereich von 15 bis 35 °C. Sie beobachteten, dass die gemessene Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ –Wasser-Nanofluide nahmen mit steigender Partikelbeladung und Temperatur zu, aber das Wärmeleitfähigkeitsverhältnis nahm mit steigender Temperatur ab; sie führten den Grund auf die schnellere Wachstumsrate der Wärmeleitfähigkeit der Basisflüssigkeit zurück.

Der Grund für die ungewisse Rolle der Temperatur auf das Wärmeleitfähigkeitsverhältnis von TiO₂ Nanoflüssigkeiten können auf den komplexen Mechanismus der Wärmeleitfähigkeit von Nanoflüssigkeiten zurückzuführen sein. Bei Temperaturänderungen können die anderen Parameter, wie Struktur, Oberflächenaktivität, Stabilität und Partikel, die Eigenschaften des Dispergiermittels usw. geändert werden, und diese Parameter sind im Allgemeinen in verschiedenen Arbeiten sehr unterschiedlich. Daher sind die Einflüsse der Temperatur auf das Wärmeleitfähigkeitsverhältnis von TiO₂ Nanofluide beziehen sich auf die spezifischen Nanopartikel und Basisfluidtypen. Diese Beobachtung kann durch die Forschung von Cabaleiro et al. weiter verbessert werden [41], in der das temperaturabhängige Wärmeleitfähigkeitsverhalten für Anatas und Rutil TiO₂ . untersucht wurde Nanofluide mit Ethylen- bzw. Propylenglykol als Basisfluid. Die Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit dieser vier Arten von TiO₂ Nanofluide ist in Abb. 3 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass alle vier Arten von Nanofluiden eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als die entsprechenden Basisflüssigkeiten. Die Temperatur spielte für TiO₂ . unterschiedliche Rollen Nanoflüssigkeiten, die Nanopartikel mit unterschiedlicher nanokristalliner Struktur und mit unterschiedlichen Basisflüssigkeiten enthalten. Die Wärmeleitfähigkeit nahm bei EG-basierten Nanoflüssigkeiten mit steigender Temperatur zu, mit einem maximalen Anstieg von 11,4 % gegenüber der Temperatur im Untersuchungsbereich, während sie bei PG-basierten Nanoflüssigkeiten fast unabhängig von der Temperatur schien.

Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit von vier Arten von TiO₂ Nanoflüssigkeiten [41]. Reproduziert mit Genehmigung von Elsevier

Basisflüssigkeitseffekt

Auch Inhaltsstoffe von Basisflüssigkeiten können die Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ . beeinflussen Nanoflüssigkeiten. Chenet al. [64] maßen die effektive Wärmeleitfähigkeit von kugelförmigem und röhrenförmigem TiO₂ Nanofluide mit Wasser bzw. Ethylenglykol als Basisfluid. Sie beobachteten, dass beide Verbesserungen von TiO₂ Nanopartikel und TiO₂ Nanoröhren mit EG als Basisflüssigkeit waren höher als die mit Wasser als Basisflüssigkeit. Reddyet al. [68] fanden heraus, dass die Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ . auf Wasserbasis, EG/W (40 %:60 %) und EG/W (50 : 50 %) verbessert wurde Nanoflüssigkeiten stiegen von 0,649 auf 5,01 %, 1,94 auf 4,38 % bzw. 10,64 auf 14,2 %, wenn die Volumenkonzentration von TiO₂ Nanopartikel stiegen bei Raumtemperatur (30 °C) von 0,2 auf 1,0 %. Allerdings sind auch einige gegenteilige Ergebnisse zu beobachten, Cabaleiro et al. [41] fanden heraus, dass die Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ Nanoflüssigkeiten mit EG, PG oder Paraffinöl als Basisflüssigkeiten waren deutlich niedriger als solche mit Wasser als Basisflüssigkeiten. Auch im Bericht von Sonawane et al. [70] wurde angenommen, dass die Wirkung von Basisflüssigkeiten komplex und unzugänglich ist, da die Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ Nanoflüssigkeiten mit 1 Vol. % Partikelbeladung folgten der folgenden Reihenfolge:Nanoflüssigkeit auf Paraffinölbasis> Nanoflüssigkeit auf Wasserbasis> Nanoflüssigkeit auf EG-Basis, während die von reinen Basisflüssigkeiten der Reihenfolge Wasser> EG> Paraffinöl folgten. Sie analysierten diese unberechenbare Beobachtung aus der Perspektive des Viskositätseffekts und dachten, dass eine niedrigere Basisflüssigkeitsviskosität mehr zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von Nanoflüssigkeiten beitragen könnte.

Tensidische Wirkung

Die Zugabe von Tensid ist ein weiterer wichtiger Faktor für die Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ Nanoflüssigkeiten. Einige Ergebnisse zeigten, dass die Tenside einen positiven Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit haben. Saleh et al. [65] untersuchten die Wirkung verschiedener Tensidtypen auf die Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ –Wasser-Nanofluids, und die Ergebnisse sind in Abb. 4 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass alle drei Arten von Tensiden die Wärmeleitfähigkeit von Nanofluiden stark verbessern konnten und die Nanofluids mit SDS als Stabilisator die größte Verbesserung zeigten, gefolgt von denen mit CTAB und Span-80 als Stabilisator. Und sie dachten, dass die Dispersionsstabilität und die Oberflächeneigenschaften der Partikel an der Verbesserung der Wärmeleitung von Nanofluiden beteiligt sind.

Einfluss verschiedener Tenside auf die Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ –Wasser-Nanofluide [65]. Reproduziert mit Genehmigung von Elsevier

Auch zur Tensidwirkung gibt es unterschiedliche Ergebnisse. Yanget al. [58] fanden heraus, dass bei steigendem Ammoniakgehalt in basischen Flüssigkeiten das Wärmeleitfähigkeitsverhältnis von TiO₂ Nanofluide werden auch zunehmen, da die Stabilität von TiO₂ Ammoniak-Wasser-Nanofluide werden bei einem höheren pH-Wert verbessert. Und die Tenside PEG1000 und PAA in geringer Konzentration haben einen relativ geringeren Einfluss als andere Einflussfaktoren auf die Wärmeleitfähigkeit wie Partikel oder Ammoniakgehalt, Temperatur. PEG1000 kann jedoch die Stabilität TiO₂ . verbessern Ammoniak-Wasser-Nanofluide, die eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von Nanofluiden bewirken. Murshed et al. [62] fanden heraus, dass Ölsäure und CTAB die Dispersionsstabilität von TiO₂ . verbessern können Nanofluide, ohne die thermischen physikalischen Eigenschaften von Nanofluiden und den einphasigen Wärmeübertragungskoeffizienten zu beeinträchtigen, da der in ihren Experimenten verwendete Tensidgehalt sehr niedrig war, nämlich. 0,01–0,02 Vol.%. Es gibt auch einige Ergebnisse, die zeigen, dass die Tenside eine deprimierende Wirkung haben. Utomoet al. [66] untersuchten die Wärmeleitfähigkeit von wasserbasiertem Al₂ O₃ und TiO₂ Nanoflüssigkeiten. Sie fanden heraus, dass eine hohe Beladung mit Stabilisatoren zu einer Verringerung der effektiven Wärmeleitfähigkeit dieser beiden Arten von Nanoflüssigkeiten führen könnte.

Beschallungseffekt

Die Beschallung zeigte auch einige Auswirkungen auf die Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ Nanoflüssigkeiten. Ismayet al. [71] fanden heraus, dass die Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ –Wasser-Nanofluide erreichten das Maximum, wenn der pH-Wert nahe 7 liegt und wurde durch 2 h Beschallung weiter verbessert. Und sie dachten, dass die Aggregation die beobachteten Verbesserungen aufgrund des Perkolationseffekts erklären kann. Sonawaneet al. [70] führten eine spezielle Untersuchung zum Einfluss der Ultraschallzeit auf die Wärmeleitfähigkeit durch, und die Ergebnisse sind in Abb. 5a–c dargestellt. Sie ist für alle drei Arten von Nanofluiden in verschiedenen Konzentrationen zu finden, wobei die zunehmenden Anteile der Wärmeleitfähigkeit mit zunehmender Ultraschallzeit zuerst zu- und dann abgenommen haben und die maximale Zunahme bei der Beschallungszeit von 60 Minuten auftrat. Sie führten den Grund wie folgt an:Eine optimale Beschallungszeit von 60 Minuten kann die Brownsche Bewegung von Nanopartikeln und die intermolekulare Wechselwirkung zwischen Partikeln und Volumenflüssigkeit verstärken, was zu einer Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit führte. Eine Langzeitbeschallung von mehr als 60 Minuten könnte jedoch die Ansammlung und Aggregation von Nanopartikeln induzieren, was für den Rückgang des Wärmetransports und der Wärmeleitfähigkeit in Nanopartikeln verantwortlich gemacht wurde.

Die prozentuale Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit als Funktion der Beschallungszeit. a Basisflüssigkeit:Wasser. b Basisflüssigkeit:Ethylenglykol. c Basisflüssigkeit:Paraffinöl. Neu gezeichnet basierend auf experimentellen Daten in Referenz [70]

Theoretische Studien

Die theoretische Erforschung von Nanofluiden ist einer der Forschungsschwerpunkte im Bereich Nanofluids. In den letzten Jahren wurden zahlreiche Wärmeleitfähigkeitsmodelle vorgeschlagen. Es wird allgemein angenommen, dass die meisten herkömmlichen Modelle für TiO₂ . verwendet werden können nanofluid, sofern keine besonderen Beschränkungen bestehen. Aufgrund der großen Unterschiede in den experimentellen Daten der Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ Nanofluids ist es für ein einzelnes Modell fast unmöglich, alle unterschiedlichen Ergebnisse zu erfassen. Da die konventionellen Modelle schwer auf den Einzelfall übertragbar sind, werden einige gezielte Wärmeleitfähigkeitsmodelle für TiO₂ Nanofluide wurden in den letzten Jahren ebenfalls vorgeschlagen. Tabelle 1 bietet eine Zusammenfassung der verfügbaren Modellgleichungen für die Wärmeleitfähigkeit, die auf TiO₂ . spezialisiert sind Nanoflüssigkeiten. Es ist ersichtlich, dass in einigen Modellen Faktoren wie Grenzflächenschicht [59, 72], Brownsche Bewegung [73, 74], Partikelgröße und Aspektverhältnis [72, 75] und Aggregation [76] berücksichtigt wurden. Und es gibt auch einige Modelle, die nur durch experimentelle Anpassung oder Varianzanalyse vorgeschlagen werden [68, 74, 77,78,79,80,81,82]. Daraus kann geschlossen werden, dass diese Modelle nur für ihren Einzelfall geeignet sind. Obwohl die theoretischen Studien zur Wärmeleitfähigkeit von Nanofluiden weit fortgeschritten sind, liegt der grundlegendste Fehler in den großen Unterschieden der unterschiedlichen experimentellen Ergebnisse. Es ist ziemlich schwierig, den Wärmeleitungsprozess in Nanofluiden umfassend und genau zu erfassen, da die Nanostruktur und Mikrobewegung von Partikeln schwer quantitativ zu beschreiben sind. Aufgrund der geringen Genauigkeit der Modelle für einen individuellen Anwendungsfall ist es daher am besten, die Wärmeleitfähigkeit von Nanofluiden für die Auslegung des Anwendungssystems zu ermitteln, indem ein Vorversuch durchgeführt wird.

Die obige Analyse zeigt, dass es derzeit noch Kontroversen und Unstimmigkeiten über die Einflussfaktoren auf die Wärmeleitfähigkeit von TiO₂ . gibt Nanoflüssigkeiten. Obwohl die Partikelbeladung eine positive Korrelation mit der Wärmeleitfähigkeit von Nanoflüssigkeiten gezeigt hat, sind die Auswirkungen anderer Faktoren wie Partikelform, Größe, Basisflüssigkeitstyp, Temperatur, Tensid und Beschallung einheitlich. Selbst für den Partikelladungseffekt unterscheiden sich die Wachstumsintensitäten der Wärmeleitfähigkeit für verschiedene Proben stark. Die Inkonsistenzen der Wärmeleitfähigkeit von Nanofluiden in verschiedenen Forschungen sind hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass die Wärmeleitfähigkeit gleichzeitig von vielen Faktoren beeinflusst wird, insbesondere von einigen mikroskopischen Parametern wie Partikelclustering und Mikrobewegung, die für eine quantitative Analyse oder Messung eher schwierig sind.

Eine weitere Kontroverse ist der Mechanismus der Verbesserung der Wärmeleitung von Nanofluiden. Es wird angenommen, dass die Partikelclusterung und -sammlung für die Verbesserung der Wärmeleitung von Nanofluiden verantwortlich ist [48, 50, 51]. Die stabilen Nanofluide mit weniger Aggregationen durch geeignete Tensid- oder Beschallungsbehandlung zeigten jedoch auch eine höhere Wärmeleitfähigkeit [62, 65, 66, 70, 71]. Der Hauptmechanismus zur Verbesserung der Wärmeleitung von Nanofluiden ist die Partikelclusterung oder die Mikrobewegung, oder einige andere Faktoren müssen weiter analysiert werden.

Solarabsorption

Als saubere erneuerbare Energiequelle hat Solarenergie nur minimale Auswirkungen auf die Umwelt. Die Entwicklung solarthermischer Kollektoren wird jedoch durch die schlechten Absorptionseigenschaften des herkömmlichen Arbeitsmediums eingeschränkt. Daher wurde in den letzten Jahren die Nanofluid-Technologie nach und nach in Sonnenkollektoren verwendet, um überlegene thermische und optische Eigenschaften zu erzielen. Es wird erwartet, dass diese neue Generation von Wärmeübertragungs- und Solarabsorptionsflüssigkeiten die Effizienz der Nutzung von Sonnenenergie verbessern kann.

Wie in Abb. 6 gezeigt, kann in den Berichten von Khullar et al. [83] ein typisches schematisches Diagramm eines auf Nanofluid basierenden konzentrierenden solaren Wassererwärmungssystems beobachtet werden. Sie dachten, dass durch die Implementierung eines konzentrierenden Sonnenkollektors auf Nanofluidbasis eine große Menge an Emissionsreduktionen und Energieeinsparungen erreicht werden könnte. Chajiet al. [84] untersuchten die Auswirkungen des Partikelgehalts und der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit auf die Effizienz eines kleinen Flachkollektors mit TiO₂ Nanoflüssigkeiten. Sie fanden den Index der Kollektoreffizienz mit TiO₂ nanofluids wurde um 2,6 bis 7% gegenüber Basisfluid basierend auf der europäischen Norm EN12975-2 gesteigert. Said et al. [85] verwendetes TiO₂ –H₂ O-Nanofluid als Arbeitsflüssigkeit zur Leistungssteigerung eines Flachkollektors. Sie beobachteten, dass die hergestellten Nanoflüssigkeiten länger als 1 Monat stabil bleiben konnten. Die Ergebnisse zeigten, dass die Energieeffizienz im Vergleich zu Flüssigkeiten auf Wasserbasis um 76,6 Vol. % Beladung und 0,5 kg/min Durchfluss erhöht werden kann und die höchste Exergieeffizienz von 16,9 % unter diesen Betriebsbedingungen erreicht werden konnte.

Schema eines auf Nanofluid basierenden konzentrierenden solaren Wassererwärmungssystems. Neu gezeichnet basierend auf Referenz [83]

In den letzten Jahren wurde auch die theoretische Forschung zur Leistung eines Sonnenkollektors mit Nanofluiden entwickelt. Alimet al. [86] untersuchten theoretisch die Entropieerzeugung, die Wärmeübertragungseigenschaften und den Druckabfall von Al₂ O₃ , CuO, SiO₂ , und TiO₂ Nanofluide in einem flachen Sonnenkollektor unter laminarer Strömung. Sie fanden heraus, dass alle Arten von Nanoflüssigkeiten die Leistung verbessern können, während der Reibungsfaktor dem von Flüssigkeiten auf Wasserbasis fast ähnlich war. Faizalet al. [87] führten auch eine numerische Studie zur Leistung dieser vier Arten von Nanofluiden im Sonnenkollektor durch. Sie stellten fest, dass die Energieeinsparungen aller vier Arten von Nanoflüssigkeiten 20 % überschreiten können, was zu einer Reduzierung der Treibhausgasemissionen führen würde.

Die Leistungssteigerung durch Nanoflüssigkeiten in Sonnenkollektoren wird im Allgemeinen auf zwei Hauptfaktoren zurückgeführt:die verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften und die optischen Eigenschaften. Daher wurden auch die optischen Eigenschaften von Nanofluiden in Solarabsorptionssystemen von Forschern untersucht. Said et al. [88] führten sowohl experimentelle als auch analytische Studien zur solaren Absorptionsleistung von TiO₂ . durch und Al₂ O₃ Nanoflüssigkeiten. Sie verwendeten zwei Volumenfraktionen von 0,1 bis 0,3 Vol.-% für die Untersuchung der lichtempfindlichen Eigenschaft. Einige klassische Theorien, darunter die Ansätze von Rayleigh, Maxwell-Garnett und Lambert-Beer, wurden in ihre analytische Analyse übernommen. Sie kamen zu dem Schluss, dass die optischen Eigenschaften von TiO₂ Nanoflüssigkeiten waren höher als die von Al₂ O₃ Nanoflüssigkeiten im Bereich des sichtbaren Lichts für alle Partikelbeladungen. Er et al. [89] verglichen die Licht-Wärme-Umwandlungseffizienz von TiO₂ –Wasser- und CNT-Wasser-Nanofluide in einem Vakuumröhren-Solarkollektor sowohl bei sonnigen als auch bei bewölkten Bedingungen. Sie beobachteten, dass die Temperaturerhöhung von CNT-Wasser-Nanofluid höher ist als die von TiO₂ –Wasser-Nanofluide, was darauf hindeutet, dass die Licht-Wärme-Umwandlungscharakteristik der ersteren besser ist als die der letzteren.

Said et al. [90] vertraten die Ansicht, dass sich die meisten Forschungen auf die grundlegenden thermophysikalischen und optischen Eigenschaften von Nanofluiden konzentrierten; Studien zu einigen wichtigen Faktoren für Streuung und Absorption, einschließlich Partikelgröße, -form und -gehalt sowie Art der Basisflüssigkeit, wurden selten gefunden. Um diese Faktoren zu untersuchen, führten sie verwandte Forschungen durch und stellten fest, dass die Partikelgröße unter 20 nm nur einen geringen Einfluss hat und der Partikelgehalt direkt proportional zum Extinktionskoeffizienten war. Für Nanofluide mit 20 nm TiO₂ Nanopartikeln war die Transmission für Wellenlängen von 200 bis 300 nm fast null, aber 71 % für 400 nm bzw. 88 % für 900 nm. Sie schlugen auch vor, dass der Volumenanteil von TiO₂ Nanopartikel sollten unter 0,1% liegen, bei denen ein viel besseres Ergebnis erzielt werden kann.

Kimet al. [91] führte eine detaillierte theoretische Untersuchung unter Verwendung von MWCNT, Al₂ . durch O₃ , CuO, SiO₂ , und TiO₂ Nanofluide mit PG (Propylenglycol)-Wasser (20:80) Basisflüssigkeit in einem Hochtemperatur-U-Röhren-Solarkollektor. Sie beobachteten, dass der Kollektorwirkungsgrad des Sonnenkollektorwirkungsgrades eine deutlich positive Korrelation mit der Wärmeleitfähigkeit der hinzugefügten Nanopartikel hat, da er in der Reihenfolge vom größten zum niedrigsten ist:MWCNT, CuO, Al₂ O₃ , TiO₂ , und SiO₂ Nanoflüssigkeiten. Sie analysierten auch die Emissionsreduzierung von CO₂ und SO₂ sowie den Strom- und Energieverbrauch weltweit. Ihre Ergebnisse belegen, dass Nanofluide ein großes Potenzial zur Energieeinsparung und Emissionsreduzierung haben. Da ihre theoretischen Ergebnisse die Dispersionssituation verschiedener Nanofluide nicht berücksichtigt haben, muss die tatsächliche Leistung experimentell überprüft werden.

Zufällig wurde von Verma et al. [92]. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die Exergieeffizienz von Nanofluiden im Vergleich zu Wasser bei nur 0,75 % Partikelvolumenbeladung und einer Durchflussrate von 0,025 kg/s für Graphen um 29,32, 21,46, 16,67, 10,86, 6,97 bzw. 5,74 % erhöht ist , CuO, Al₂ O₃ , TiO₂ , und SiO₂ Nanoflüssigkeiten. Auch der Abfall der Entropieerzeugung folgte dieser Sequenz. Ihre Ergebnisse bestätigten auch, dass die Effizienz der Sonnenkollektoren eine positive Korrelation mit der Wärmeleitfähigkeit der hinzugefügten Nanopartikel hat.

Es gibt jedoch auch einige Untersuchungen, die unterschiedliche Ergebnisse liefern. Mahianet al. [93] analysierten die Leistung eines Minikanal-basierten Sonnenkollektors unter Verwendung von vier verschiedenen Wasser-Nanofluiden mit Cu, Al₂ O₃ , TiO₂ , und SiO₂ Nanopartikel bzw. Ihre Ergebnisse zeigten das Al₂ O₃ Nanofluide zeigten den höchsten Wärmeübergangskoeffizienten, während der niedrigste Wert zu SiO₂ . gehörte –Wasser-Nanofluide, aber die Austrittstemperatur folgte dieser Reihenfolge:Cu> TiO₂> Al₂ O₃> SiO₂ Nanoflüssigkeiten. Sie beobachteten auch, dass die Entropiebildung von TiO₂ –Wasser ist niedriger als das von Al₂ O₃ –Wasser-Nanoflüssigkeiten trotz der Wärmeleitfähigkeit der ersteren niedriger als die letzteren.

Kühlung

Nano-Kältemittel ist eine besondere Art von Nanofluid, das aus Nanopartikeln und Kältemittel sowie dem wahrscheinlichen Schmiermittel besteht. Nano-refrigerant is a new generation of refrigerant for using compression or absorption refrigeration, air conditioning systems, heat pumps, etc. In recent years, many studies regarding nano-refrigerants have shown that adding nanoparticles into refrigerants or lubricant can achieve a better system performance and energy efficiency.

Table 2 shows summary of related studies on TiO₂ nanoparticle-based nano-refrigerants. 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. Liet al. [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]. Reproduced with permission from 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.

a , b Experimental setup for condensation–evaporation alternation [15]. Reproduced with permission from 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. Liuet al. [104] find that thermal conductivity of saturated BaCl₂ aqueous solution increases remarkably when adding a small amount of TiO₂ Nanopartikel. 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]. Reproduced with permission from 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. Wanget 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 Nanopartikel. 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 nanofluids.

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 nanofluids. 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.

Liet al. [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 –H₂ 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 nanofluids. 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 –H₂ 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 O₃ electrolyte nanofluids in a circular tube. The results showed that adding 0.015 vol.% TiO₂ and 0.01 vol.% γ-Al₂ O₃ 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 nanofluids. 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 nanofluids. 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 nanofluids. 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. TiO₂ 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.