纳米流体传热性能研究进展与问题

纳米流体传热性能研究进展与问题

李新芳，朱冬生

华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室, 广州 510641

E-mail xtulxf@

摘要：介绍了纳米流体的制备技术，重点阐述了纳米流体传热性能特异性研究进展和存在的问题，同时对今后纳米流体研究的发展方向提出了展望。

关键词：纳米流体；制备；传热性能

1. 引言

随着科学技术的飞速发展和能源问题的日益突出[1,2]，热交换设备的传热负荷和传热强度日益增大，传统的纯液体换热工质已很难满足一些特殊条件下的传热与冷却要求，低传热性能的换热工质已成为研究新一代高效传热冷却技术的主要障碍。提高液体传热性能的一种有效方式是在液体中添加金属、非金属或聚合物固体粒子。由于固体粒子的导热系数比液体大几个数量级，因此，悬浮有固体粒子的液体的导热系数要比纯液体大得许多。自从Maxwell 理论发表以来，许多学者进行了大量关于在液体中添加固体粒子以提高其导热系数的理论和实验研究，并取得了一些成果。然而，这些研究都局限于用毫米或微米级的固体粒子悬浮于液体中，由于这些毫米或微米级粒子在实际应用中容易引起热交换设备磨损及堵塞等不良结果，而大大限制了其在工业实际中的应用。

自20世纪90年代以来，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Argonne国家实验室的Choi等[3]提出了一个崭新的概念－纳米流体：即将1~100nm的金属或者非金属粒子悬浮在基液中形成的稳定悬浮液，这是纳米技术应用于热能工程这一传统领域的创新性研究。研究表明[4-6]，在液体中添加纳米粒子，可以显著增加液体的导热系数，提高热交换系统的传热性能，显示了纳米流体在强化传热领域具有广阔的应用前景。由于纳米材料的小尺寸效应，其行为接近于液体分子，不会像毫米或微米级粒子易产生磨损或堵塞等不良结果。因此，与在液体中添加毫米或微米级粒子相比，纳米流体更适于实际应用。

总之，由于纳米流体在各类科学研究和工程技术部门能够产生新的变革，加上它的运动方式新颖、能耗小、无污染和使用范围广等特点，因此受到人们极大关注。目前我国和世界上许多国家都在积极的开展这项研究，有关其基础理论和应用等方面的报道越来越多。本文简要介绍了纳米流体的制备，重点论述了纳米流体传热性能特异性研究的进展和存在的问题。

本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金(No.20050561017)和教育部新世纪优秀人才支持计划(No. NCET-04-0826)项目资助.

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2. 纳米流体的制备

纳米流体的制备是应用纳米粒子以增强液体工质传热性能的关键一步。纳米流体不是指简单的液－固混合物，在纳米粒子的悬浮液中，由于颗粒表面的活性使他们很容易团聚在一起，形成带有若干弱连接界面较大的团聚体。因此，如何使纳米粒子均匀地、稳定地分散在液体介质中，形成分散性好、稳定性高、持久及低团聚的纳米流体，是将纳米流体应用于传热过程所必需的技术[7]。

目前，比较常用的有两类潜在的制备技术：一类是两步法，一类是单步法。

两步法是首先用惰性气体凝聚或者化学蒸气分解等其他方法制备纳米粒子(如氧化物，氮化物，金属，非金属碳化物等)，然后把制备的纳米粒子分散在液体中(如水，乙烯基乙二醇，煤油等)。有时也添加活性剂或分散剂并配以超声振动，以获得悬浮稳定的悬浮液。这种方法程序简单，花费少，几乎是用于所有的流体介质，适用于非金属粉体。用此方法已成功制备了氧化物纳米粒子－去离子水纳米流体[5]，通过惰性气体凝聚法制备的CuO纳米粒子见图1，图中显示了纳米粒子发生了聚集。随着纳米颗粒的制备技术已扩展到工业化生产水平，在纳米颗粒制备的基础上采用两步法合成纳米流体存在潜在的经济优势。

单步法是通过“直接蒸发”技术制备纳米流体。如用此方法制备了Cu纳米流体，其透射电子显微镜照片(TEM) [8]见图2。单步法技术减小了纳米粒子的聚集，可以获得小尺度的纳米粒子，但是只有低蒸气压的液体才适合此制备技术。Wilson等[9]通过浓缩金属盐制备金属纳米粒子，此技术已广泛应用于在各种溶剂中产生胶状悬浮物，使用此方法可以获得尺度分布非常窄的纳米粒子。如图3为通过此方法制备的AuPd合金胶状颗粒的TEM照片[9]，可以看出纳米粒子分散均匀且具有非常窄的尺度分布。

图1 CuO纳米粒子的TEM照片图2 Cu纳米流体的TEM照片

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图3 AuPd胶状颗粒的TEM照片

2. 纳米流体传热性能特异性研究进展

目前,许多文献已经报道了纳米流体传热性能的特异性，如：比传统的固/液悬浮物的传热性能好[8-10]；传热性能和浓度之间存在非线性关系(也包括碳纳米管)[10]；导热系数的提高存在很强的温度依赖关系[11,12]；池内沸腾换热中临界热流量显著增加[13-15]。可见，纳米流体的每一种特性对于传热领域都是急需的，利用纳米流体的这些特性，发展新一代的传热和冷却工具对于实际应用是十分重要的。

2.1 稳态时导热系数的研究

纳米流体比传统液体工质具有更优越的传热性能，一个主要原因是纳米粒子显著增大了纳米流体的导热系数。导热系数是反映介质传热能力的主要参数，具有重要的理论和应用意义。图4[16]总结了纳米流体的导热系数与纳米粒子体积比之间的关系。较早关于纳米流体导热性能的实验研究，主要集中在高浓度氧化物纳米粒子性能的变化。Masuda等[17]研究了在水中添加4.3%体积比的Al2O3纳米粒子，实验结果表明导热系数比水提高了30%，随后Lee 等[5]测量了相同含量Al2O3－水纳米流体的导热系数，其结果仅仅提高了15%。这些实验结果的差别可能是因为两种流体中纳米粒子平均尺寸不同，Masuda使用的Al2O3纳米粒子的平均直径为13nm，而Lee使用的Al2O3纳米粒子的平均直径为33nm。中科院谢华清等[18,19]研究了SiC－水纳米流体的导热系数，实验结果表明，在水中添加5%体积比的SiC纳米粒子，形成的纳米流体的导热系数比水提高20%。Lee等[5]也观察到：相比Al2O3纳米流体，CuO纳米流体的导热系数仅有一个适度提高，但是Wang等[20]报道了在水中添加0.4%体积比的CuO纳米粒子，形成的纳米流体的导热系数比水提高了17%，在乙烯基－乙醇溶液中添加0.3%体积比的Cu纳米粒子(10nm)，形成的纳米流体的导热系数提高了40%。最近，Patel等[12]研究了Au和Ag纳米粒子添加到水和甲苯中的导热性能，令人惊奇的是，当纳米粒子的体积比低至0.011%时，形成的纳米流体的导热系数提高到21%。然而，关于这些纳米流体的导热系数是否能提高那么多还没有完全被证实，事实上，最近在重复Cu纳米粒子实验中，Cu纳米

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