纳米流体简介及其相关应用

【引言】

20世纪90年代以来,随着纳米技术的兴起，研究人员开始探索将纳米材料技术应用于强化传热领域,研究新一代高效传热冷却技术。1995年，美国阿拉贡国家实验室的S.U.S. Choi教授首次提出了“纳米流体”概念^[1]，从此将纳米技术与热能工程这一传统领域创新性地结合了起来。纳米流体技术在强化传热领域具有十分广阔的应用前景和潜在的重大经济价值，被称之为“未来的冷却散热技术”。

【纳米流体的工作原理】

纳米流体是指把金属或非金属纳米粉体分散到水、醇、油等传统换热介质中，制备成均匀、稳定、高导热的新型换热介质。传统的换热介质的导热系数较低（如表一），已经逐渐无法满足日益发展的工业工程换热需求。而一些金属或非金属纳米颗粒的导热系数往往是导热介质的成百上千倍，例如常见的碳化硅纳米颗粒的导热系数为170~270 W/m·K。研究人员发现，若能将纳米颗粒均匀、稳定地分散在导热介质中，将大幅度的提高其导热性能。

表1 传统导热流体在常温下的导热系数

目前，关于纳米流体增强导热系数机理的研究还处于探索阶段，各个研究学者们从自己的实验数据出发，研究探讨不同的纳米流体增强导热系数机理。较为广泛认同和接受的机理主要有以下四种，它们由Choi最先提出^[2,3]：(1) 纳米颗粒间的布朗运动加速了颗粒之间的热传递；(2) 纳米颗粒固有的热传递特性增强了纳米流体的热传递特性；(3) 液体(基液)与纳米颗粒表面之间形成的纳米薄层，即高导热层液相结构，加速了热传递过程；(4) 纳米流体中形成的纳米粒子簇效应使纳米颗粒的有效体积分数增加，从而增强了纳米流体的传热性能。图1简单的展示了几种原理。

南京理工大学的宣益民教授还提出了两种关于纳米流体增强导热系数的机理^[4,5]，它们分别是：

(1) 纳米颗粒的加入使原来基液的结构发生了改变，加上固体纳米颗粒的导热系数远大于基液的导热系数，这就增强了纳米流体内部的热量传递过程，使其导热系数提高。

(2) 由于布朗力，范德华力，周围液体分子轰击等力的作用，纳米流体中的纳米颗粒时时刻刻在做着无规则的微运动。这种微运动使得微对流现象存在于纳米颗粒与液体之间，从而增强了纳米颗粒与液体之前的热对流或热传递过程，使其导热系数提高。

图1 三种纳米流体增强导热系数机理

(a) 固液界面间形成的高导热层液相结构，加速热传递过程；(b) 固体颗粒中的弹道和扩散声子输运（纳米颗粒固有的热传递特性）；(c)有效体积理论增强导热系数

【纳米流体的应用】

作为一种新型的高效、高传热性能的热量输运介质，纳米流体可有效提高热系统的传热性能，提高热系统的高效低阻紧凑等性能指标，满足热系统高负荷的传热冷却要求，满足一些特殊条件(微尺度条件)下的强化传热要求，因此理论上它可以广泛的应用于化工、能源、航天航空、汽车、空调制冷、电子、计算机等领域（如图2），对于提高热交换系统的经济性、可靠性和小型化有重要的意义。

图2 纳米流体的应用领域

(1)纳米流体在太阳能蒸馏的应用

太阳能蒸馏系统主要用于海水淡化及净化，其生产效率主要取决于传热机理和工作温度。纳米流体的引入能极大的提高蒸馏效率，提高海水淡化产量，因此也受到了国内外比较广泛的关注。

Sharshi等人分析了纳米流体和玻璃罩冷却对太阳能蒸馏系统性能的增强作用^[6]。结果表明，在使用氧化铜纳米流体和石墨微薄片纳米流体时，太阳能蒸馏器的生产效率分别提高了44.91%和53.95%。此外，用氧化铜纳米流体和石墨纳米流体能分别提高约47.80%和57.60%的产量。

最近，笔者所在研究团队采用四氧化三铁改性的碳纳米管制备了纳米流体，并将其应用于太阳能蒸馏系统^[7]。实验发现，随着磁MWCNTs纳米流体浓度提高，蒸发效率从24.91% (0 wt%)增加到76.65% (0.04 wt%)（如图3）。

图3 (a)质量损失曲线 (b)蒸发效率(左)和蒸发速率(右)

(2)纳米流体在汽车冷却系统的应用

汽车工业的发展，使汽车对其发动机综合效率的要求越来越高，但发动机散热成为提高发动机效率的瓶颈之一。因为随着发动机性能不断提高，单纯的改进冷却缸结构已经不能满足其散热要求。所以选择高性能的导热工质已经成为提高发动机散热性能的关键。

笔者曾将SiC纳米颗粒分散在水醇基汽车冷却液中制成纳米流体，并测试了不同温度下，纳米流体的导热性能^[8]。实验发现，当纳米流体作为汽车冷却液时，其导热性能最高可提高53.81%(如图4)。

图4 SiC纳米流体在不同温度下的导热系数

(3) 纳米流体在微管道散热器中的应用

伴随着电子产业高性能、微型化、集成化的三大发展趋势，作为电子设备核心的芯片越先进，功耗越大，产生的热量也随之增加，传统强迫风冷技术已经无法满足未来高性能高要求的热交换系统。为此，以纳米流体为冷却介质的微型高强度制冷系统成为了高新科技研究热点之一。

M.M. Sarafraz等人就同时对比了液态镓，CuO/水纳米流体与纯水作为CPU散热介质的性能^[9]。实验结果表明（如图5），虽然液态镓的散热性能表现最好，但是CuO纳米流体同时还具有更低的压降和泵送功率，而且成本更低。

图5 传热系数随功率和冷却剂类型的变化曲线

【结语】

纳米流体作为一种新型技术，从提出至今不到30年时间。由于纳米技术的飞速发展，纳米颗粒的种类成千上万，于是也造就了纳米流体的无限可能。本文所介绍的纳米流体应用仅仅是冰山一角，目前国内外已经有许多科学研究者相继进行了大量的有关纳米流体的理论和实验研究，着重研究新型纳米流体的制备及其测试其热传导、对流、相变换热等性能，不断地探究纳米流体强化传热技术机理，推动纳米流体强化传热技术在工业中的应用。

【参考文献】

[1]S.U.S. Choi. Developments and applications of non-Newtonian flows. ASME, New York 1995; 231:99–102.

[2]Keblinski P, Phillpot S R, Choi S U S, et al. Mechanisms of heat flow in suspensions of nano-sized particles (nanofluids)[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2002, 45(4):855-863.

[3]J.A. Eastman, S.R. Phillpot, S.U.S. Choi, et al. Thermal transport in nanofluids. Annu Rev Mater Res[J]. Annual Review of Materials Research, 2004, 34:219-246.

[4]Qiang L I, Xuan Y M. A Preliminary Analysis of the Intensified Thermal conductivity Mechanism of Nano fluids[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy & Power, 2002, 17(6).

[5]宣益民, 李强. 纳米流体强化传热研究[J]. 工程热物理学报, 2000, 21(4):466-470.

[6]Sharshir S W, Peng G, Wu L, et al. Enhancing the solar still performance using nanofluids and glass cover cooling: Experimental study[J]. Appl. Therm. Eng. 113 (2017) 684-693.

[7] Chen W, Zou C, Li X, et al. Application of recoverable carbon nanotube nanofluids in solar desalination system: An experimental investigation[J]. Desalination, 2017.

[8] Li X, Zou C, Qi A. Experimental study on the thermo-physical properties of car engine coolant (water/ethylene glycol mixture type) based SiC nanofluids ☆[J]. International Communications in Heat & Mass Transfer, 2016, 77:159-164.

[9] Sarafraz M M, Arya A, Hormozi F, et al. On the convective thermal performance of a CPU cooler working with liquid gallium and CuO/water nanofluid: A Comparative study[J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 112:1373-1381.

本文由Coke供稿，材料牛整理编辑。

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