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20世紀90年代以來,隨著納米技術(shù)的興起，研究人員開始探索將納米材料技術(shù)應(yīng)用于強化傳熱領(lǐng)域,研究新一代高效傳熱冷卻技術(shù)。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(shù)與熱能工程這一傳統(tǒng)領(lǐng)域創(chuàng)新性地結(jié)合了起來。納米流體技術(shù)在強化傳熱領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景和潛在的重大經(jīng)濟價值，被稱之為“未來的冷卻散熱技術(shù)”。

 

【納米流體的工作原理】

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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(tǒng)換熱介質(zhì)中，制備成均勻、穩(wěn)定、高導(dǎo)熱的新型換熱介質(zhì)。傳統(tǒng)的換熱介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)較低（如表一），已經(jīng)逐漸無法滿足日益發(fā)展的工業(yè)工程換熱需求。而一些金屬或非金屬納米顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)往往是導(dǎo)熱介質(zhì)的成百上千倍，例如常見的碳化硅納米顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)為170~270 W/m·K。研究人員發(fā)現(xiàn)，若能將納米顆粒均勻、穩(wěn)定地分散在導(dǎo)熱介質(zhì)中，將大幅度的提高其導(dǎo)熱性能。

 

表1 傳統(tǒng)導(dǎo)熱流體在常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)

傳統(tǒng)導(dǎo)熱流體	水	乙二醇	導(dǎo)熱油
導(dǎo)熱系數(shù)(W/m·K)	0.613	0.253	0.145

 

目前，關(guān)于納米流體增強導(dǎo)熱系數(shù)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(shù)據(jù)出發(fā)，研究探討不同的納米流體增強導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱層液相結(jié)構(gòu)，加速了熱傳遞過程；(4) 納米流體中形成的納米粒子簇效應(yīng)使納米顆粒的有效體積分數(shù)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(guān)于納米流體增強導(dǎo)熱系數(shù)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(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，加上固體納米顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)遠大于基液的導(dǎo)熱系數(shù)，這就增強了納米流體內(nèi)部的熱量傳遞過程，使其導(dǎo)熱系數(shù)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(guī)則的微運動。這種微運動使得微對流現(xiàn)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(dǎo)熱系數(shù)提高。

圖1 三種納米流體增強導(dǎo)熱系數(shù)機理

(a) 固液界面間形成的高導(dǎo)熱層液相結(jié)構(gòu)，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(dǎo)熱系數(shù)

 

【納米流體的應(yīng)用】

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作為一種新型的高效、高傳熱性能的熱量輸運介質(zhì)，納米流體可有效提高熱系統(tǒng)的傳熱性能，提高熱系統(tǒng)的高效低阻緊湊等性能指標，滿足熱系統(tǒng)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(yīng)用于化工、能源、航天航空、汽車、空調(diào)制冷、電子、計算機等領(lǐng)域（如圖2），對于提高熱交換系統(tǒng)的經(jīng)濟性、可靠性和小型化有重要的意義。

 

圖2 納米流體的應(yīng)用領(lǐng)域

 

(1)納米流體在太陽能蒸餾的應(yīng)用

太陽能蒸餾系統(tǒng)主要用于海水淡化及凈化，其生產(chǎn)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(chǎn)量，因此也受到了國內(nèi)外比較廣泛的關(guān)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(tǒng)性能的增強作用[6]。結(jié)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(chǎn)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(chǎn)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(yīng)用于太陽能蒸餾系統(tǒng)[7]。實驗發(fā)現(xiàn)，隨著磁MWCNTs納米流體濃度提高，蒸發(fā)效率從24.91% (0 wt%)增加到76.65% (0.04 wt%)（如圖3）。

 

圖3 (a)質(zhì)量損失曲線 (b)蒸發(fā)效率(左)和蒸發(fā)速率(右)

 

(2)納米流體在汽車冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用

汽車工業(yè)的發(fā)展，使汽車對其發(fā)動機綜合效率的要求越來越高，但發(fā)動機散熱成為提高發(fā)動機效率的瓶頸之一。因為隨著發(fā)動機性能不斷提高，單純的改進冷卻缸結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足其散熱要求。所以選擇高性能的導(dǎo)熱工質(zhì)已經(jīng)成為提高發(fā)動機散熱性能的關(guān)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(dǎo)熱性能[8]。實驗發(fā)現(xiàn)，當納米流體作為汽車冷卻液時，其導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)

 

(3) 納米流體在微管道散熱器中的應(yīng)用

伴隨著電子產(chǎn)業(yè)高性能、微型化、集成化的三大發(fā)展趨勢，作為電子設(shè)備核心的芯片越先進，功耗越大，產(chǎn)生的熱量也隨之增加，傳統(tǒng)強迫風冷技術(shù)已經(jīng)無法滿足未來高性能高要求的熱交換系統(tǒng)。為此，以納米流體為冷卻介質(zhì)的微型高強度制冷系統(tǒng)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(tài)鎵，CuO/水納米流體與純水作為CPU散熱介質(zhì)的性能[9]。實驗結(jié)果表明（如圖5），雖然液態(tài)鎵的散熱性能表現(xiàn)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(shù)隨功率和冷卻劑類型的變化曲線

 

【結(jié)語】

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納米流體作為一種新型技術(shù)，從提出至今不到30年時間。由于納米技術(shù)的飛速發(fā)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(yīng)用僅僅是冰山一角，目前國內(nèi)外已經(jīng)有許多科學研究者相繼進行了大量的有關(guān)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(dǎo)、對流、相變換熱等性能，不斷地探究納米流體強化傳熱技術(shù)機理，推動納米流體強化傳熱技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用。