納米流體簡介及其相關應用

【引言】

20世紀90年代以來,隨著納米技術的興起，研究人員開始探索將納米材料技術應用于強化傳熱領域,研究新一代高效傳熱冷卻技術。1995年，美國阿拉貢國家實驗室的S.U.S. Choi教授首次提出了“納米流體”概念^[1]，從此將納米技術與熱能工程這一傳統領域創新性地結合了起來。納米流體技術在強化傳熱領域具有十分廣闊的應用前景和潛在的重大經濟價值，被稱之為“未來的冷卻散熱技術”。

【納米流體的工作原理】

納米流體是指把金屬或非金屬納米粉體分散到水、醇、油等傳統換熱介質中，制備成均勻、穩定、高導熱的新型換熱介質。傳統的換熱介質的導熱系數較低（如表一），已經逐漸無法滿足日益發展的工業工程換熱需求。而一些金屬或非金屬納米顆粒的導熱系數往往是導熱介質的成百上千倍，例如常見的碳化硅納米顆粒的導熱系數為170~270?W/m·K。研究人員發現，若能將納米顆粒均勻、穩定地分散在導熱介質中，將大幅度的提高其導熱性能。

表1?傳統導熱流體在常溫下的導熱系數

目前，關于納米流體增強導熱系數機理的研究還處于探索階段，各個研究學者們從自己的實驗數據出發，研究探討不同的納米流體增強導熱系數機理。較為廣泛認同和接受的機理主要有以下四種，它們由Choi最先提出^[2,3]：(1) 納米顆粒間的布朗運動加速了顆粒之間的熱傳遞；(2) 納米顆粒固有的熱傳遞特性增強了納米流體的熱傳遞特性；(3) 液體(基液)與納米顆粒表面之間形成的納米薄層，即高導熱層液相結構，加速了熱傳遞過程；(4) 納米流體中形成的納米粒子簇效應使納米顆粒的有效體積分數增加，從而增強了納米流體的傳熱性能。圖1簡單的展示了幾種原理。

南京理工大學的宣益民教授還提出了兩種關于納米流體增強導熱系數的機理^[4,5]，它們分別是：

(1)?納米顆粒的加入使原來基液的結構發生了改變，加上固體納米顆粒的導熱系數遠大于基液的導熱系數，這就增強了納米流體內部的熱量傳遞過程，使其導熱系數提高。

(2) 由于布朗力，范德華力，周圍液體分子轟擊等力的作用，納米流體中的納米顆粒時時刻刻在做著無規則的微運動。這種微運動使得微對流現象存在于納米顆粒與液體之間，從而增強了納米顆粒與液體之前的熱對流或熱傳遞過程，使其導熱系數提高。

圖1 三種納米流體增強導熱系數機理

(a) 固液界面間形成的高導熱層液相結構，加速熱傳遞過程；(b) 固體顆粒中的彈道和擴散聲子輸運（納米顆粒固有的熱傳遞特性）；(c)有效體積理論增強導熱系數

【納米流體的應用】

作為一種新型的高效、高傳熱性能的熱量輸運介質，納米流體可有效提高熱系統的傳熱性能，提高熱系統的高效低阻緊湊等性能指標，滿足熱系統高負荷的傳熱冷卻要求，滿足一些特殊條件(微尺度條件)下的強化傳熱要求，因此理論上它可以廣泛的應用于化工、能源、航天航空、汽車、空調制冷、電子、計算機等領域（如圖2），對于提高熱交換系統的經濟性、可靠性和小型化有重要的意義。

圖2 納米流體的應用領域

(1)納米流體在太陽能蒸餾的應用

太陽能蒸餾系統主要用于海水淡化及凈化，其生產效率主要取決于傳熱機理和工作溫度。納米流體的引入能極大的提高蒸餾效率，提高海水淡化產量，因此也受到了國內外比較廣泛的關注。

Sharshi等人分析了納米流體和玻璃罩冷卻對太陽能蒸餾系統性能的增強作用^[6]。結果表明，在使用氧化銅納米流體和石墨微薄片納米流體時，太陽能蒸餾器的生產效率分別提高了44.91%和53.95%。此外，用氧化銅納米流體和石墨納米流體能分別提高約47.80%和57.60%的產量。

最近，筆者所在研究團隊采用四氧化三鐵改性的碳納米管制備了納米流體，并將其應用于太陽能蒸餾系統^[7]。實驗發現，隨著磁MWCNTs納米流體濃度提高，蒸發效率從24.91% (0 wt%)增加到76.65% (0.04 wt%)（如圖3）。

圖3 (a)質量損失曲線 (b)蒸發效率(左)和蒸發速率(右)

(2)納米流體在汽車冷卻系統的應用

汽車工業的發展，使汽車對其發動機綜合效率的要求越來越高，但發動機散熱成為提高發動機效率的瓶頸之一。因為隨著發動機性能不斷提高，單純的改進冷卻缸結構已經不能滿足其散熱要求。所以選擇高性能的導熱工質已經成為提高發動機散熱性能的關鍵。

筆者曾將SiC納米顆粒分散在水醇基汽車冷卻液中制成納米流體，并測試了不同溫度下，納米流體的導熱性能^[8]。實驗發現，當納米流體作為汽車冷卻液時，其導熱性能最高可提高53.81%(如圖4)。

圖4 SiC納米流體在不同溫度下的導熱系數

(3) 納米流體在微管道散熱器中的應用

伴隨著電子產業高性能、微型化、集成化的三大發展趨勢，作為電子設備核心的芯片越先進，功耗越大，產生的熱量也隨之增加，傳統強迫風冷技術已經無法滿足未來高性能高要求的熱交換系統。為此，以納米流體為冷卻介質的微型高強度制冷系統成為了高新科技研究熱點之一。

M.M. Sarafraz等人就同時對比了液態鎵，CuO/水納米流體與純水作為CPU散熱介質的性能^[9]。實驗結果表明（如圖5），雖然液態鎵的散熱性能表現最好，但是CuO納米流體同時還具有更低的壓降和泵送功率，而且成本更低。

圖5?傳熱系數隨功率和冷卻劑類型的變化曲線

【結語】

納米流體作為一種新型技術，從提出至今不到30年時間。由于納米技術的飛速發展，納米顆粒的種類成千上萬，于是也造就了納米流體的無限可能。本文所介紹的納米流體應用僅僅是冰山一角，目前國內外已經有許多科學研究者相繼進行了大量的有關納米流體的理論和實驗研究，著重研究新型納米流體的制備及其測試其熱傳導、對流、相變換熱等性能，不斷地探究納米流體強化傳熱技術機理，推動納米流體強化傳熱技術在工業中的應用。

【參考文獻】

[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, 李強. 納米流體強化傳熱研究[J]. 工程熱物理學報, 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，材料牛整理編輯。

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