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 510641E-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.- 1 -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- 2 -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- 3 -粒子的直径比较大(50nm)，当添加的Cu 纳米粒子含量为0.5%体积比时，观察到其导热系数没有明显的提高。

图4 纳米流体的导热系数与纳米粒子体积比之间的关系图最近研究发现：在高浓度的氧化物纳米流体[11]和浓度极其低的金属纳米流体中[12]，其导热系数的提高存在很强的温度依赖关系。

这两类纳米流体在一个小的温度范围内(20~50ºC)，其导热系数提高了2~4倍。

如果温度依赖关系发生在较宽的温度范围内，那么这个特性使得纳米流体在较高温度下的应用成为热点。

2.2 流动、对流换热和沸腾换热的研究 作为一种新型的强化传热工质，将纳米流体应用于工业实际，除了测定其导热系数等输运参数外，研究纳米流体的流动、对流换热和沸腾换热是非常必要的。

最近, 已有文献研究和测量了纳米流体自然流动[21,22]和强制流动[6, 23-24]过程中的换热系数。

Das 等[15]研究了纳米流体沸腾换热的特点；You 等[13]测量了Al 2O 3－水纳米流体的临界热流量，实验结果表明热流量比水增加了3倍；Vassallo 等[14]也研究了SiO 2－水纳米流体的临界热流量，相比纯水提高了3倍多。

纳米流体在对流换热过程中，换热系数不仅与导热系数有关，还与纳米流体的比热、密度和动态粘滞度有关。

当体积份额比较低时，纳米流体的比热和密度类似于基液。

Wang 等[4]研究了Al 2O 3－水纳米流体的粘度，实验结果表明当纳米粒子分散更多时，纳米流体的粘度较低，同时也发现当Al 2O 3体积比为3%时，形成纳米流体的粘度比水提高了30%。

Pak 和Cho [25]研究了Al 2O 3－水纳米流体的粘度，发现其流体的粘度比水增加了3倍。

因此纳米流体的粘度与纳米粒子的制备、浓度、分散和稳定悬浮的方法等可能密切相关。

宣益民和李强[24]测量了不同体积比(1.0%~2.0%)的Cu －水纳米流体在湍流状态下的摩擦阻力系数，实 - 4 -验结果表明，纳米流体的摩擦阻力系数并未增大。

Eastman等[26]测量了体积比为0.9%的CuO－水纳米流体在强制对流状态下的换热系数，实验表明比水提高了15%。

宣益民和李强[24]测量了Cu－水纳米流体在湍流状态下的管内对流换热系数，实验结果表明，在液体中添加纳米粒子显著增大了液体的管内对流换热系数。

例如，在水中添加2.0%体积比的Cu纳米粒子，纳米流体的对流换热系数比水增大了39%。

与这些研究相对比，Pak和Cho[25]分别测试了3.0%体积比的Al2O3－水和TiO2－水两种纳米流体的对流换热系数，实验结果表明，相同流速情况下，纳米流体的对流换热系数比水小12%。

其原因可能在于Pak和Cho实验中的两种纳米流体的粘度比水增大很多，过高的粘度抑制了纳米流体的强化传热效果。

Putra[21]研究了Al2O3－水和CuO－水两种纳米流体在自然对流过程中的换热系数，与强制对流不同，自然对流过程中换热系数降低。

Das等[15]研究了Al2O3－水纳米流体的池内沸腾实验，结果表明，随着纳米粒子体积比的增加，纳米流体池内沸腾性能减弱。

这种减弱可能与两方面有关：一方面是由于纳米粒子的添加导致流体性能的改变；另一方面是由于纳米粒子覆盖在容器的粗糙表面上导致容器性能的改变。

Vassallo等[14]研究了SiO2－水纳米流体的临界热流量，非常有趣的是，当添加纳米粒子的体积比只有10-3%时，纳米流体的临界热流量显著增加。

到目前为止，还没有任何一种理论模型能够解释这种现象。

You等[13]测量了Al2O3－水纳米流体池内沸腾时的临界热流量，实验表明其临界热流量比纯水增大了3倍，这些实验结果与Vassallo的实验结果一致。

3. 纳米流体导热系数提高的理论解释和争议纳米流体的导热性能比其他传热性能更受关注，因此我们仅仅讨论纳米流体导热系数研究中存在的一些问题。

纳米流体是固/液混合物，其导热性的研究是建立在有效介质理论基础上的。

19世纪后期，Mossotti、Clausius、Maxwell和Lorenz首先提出了有效介质理论，Bruggeman系统地完善了该理论。