工业应(ying)用和(he)科学技术的(de)众多领域涉及热量传递(di)过程,强化(hua)传热可以提(ti)高系统或设备的(de)传热效率,一般如(ru)果从换热(re)(re)设备(bei)着(zhe)手,则往(wang)往(wang)需要增加系统(tong)的(de)(de)尺寸,不符合但如(ru)今系统(tong)轻量化、微型化的(de)(de)发展趋势,因此对换热(re)(re)导(dao)热(re)(re)介质(zhi)提出更高(gao)要求。传统(tong)的(de)(de)导(dao)热(re)(re)介质(zhi)如(ru)水、乙二(er)醇、导(dao)热(re)(re)油等(deng)的(de)(de)导(dao)热(re)(re)系数(shu)偏低,近年来,突破(po)传统(tong)导(dao)热(re)(re)介质(zhi)的(de)(de)限制(zhi)成为高(gao)效换热(re)(re)技术的(de)(de)研究重点。
冷(leng)却塔就是(shi)典型的换热设备(bei)
什么(me)是纳米(mi)流体?
在(zai)早期(qi)时候,研(yan)究人员就开始(shi)在(zai)液体(ti)中加入固体(ti)颗(ke)粒(li),以提高液体(ti)的导热系数(shu)。但大多数(shu)研(yan)究所用固体(ti)颗(ke)粒(li)局限于毫米或微米级(ji)别,由于粒(li)径过大,易于沉降,往往难以实现长(zhang)期(qi)分散稳定(ding),且容(rong)易造(zao)成(cheng)设备磨损与堵塞,未能得到广泛应用。
1995年,美国Argonne实(shi)验室(shi)的Choi等率(lv)先提出了“纳米流体”的(de)概念,是指以一定(ding)的方(fang)式(shi)和比(bi)例,在常(chang)规液体(ti)中添(tian)加高导(dao)热系(xi)数(shu)的纳(na)米级固体(ti)颗粒(li)形(xing)成的一类新型传热(re)介质。固体颗粒一般包括金属(Cu、Ag等),金属氧化物、氮化物、碳化物(Al2O3、CuO、ZnO、AlN、SiC等)以及碳材料(碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯等),这类物质的导热系数一般较大,往往是传统导热介质的成百上千倍,因此其加入在理论上可以使基液的传热能力大幅提升,在强化传热领域具有广阔的应用前景。而且相比早期添加毫米、微米级粒子的研究,纳米级尺寸不易引起管道堵塞问题,推进了各种换热设备的小型化进程。
几种导热(re)(re)材料的(de)导热(re)(re)系数
虽然纳米(mi)粒子的引入(ru)能够大幅提高传(chuan)统(tong)导热介质的导热系数(shu),在强化传(chuan)热领域具(ju)有明(ming)显(xian)优势。但(dan)水基、乙(yi)二醇基及水-乙二(er)醇(chun)混(hun)合基的各类(lei)纳米流(liu)体几乎都存在长期分散稳定性差(cha)的问题。
纳米(mi)粒子在(zai)重力、范德(de)华力等(deng)作(zuo)用力下(xia)发生沉(chen)降、团聚,甚至(zhi)分(fen)层,进而(er)影(ying)响强(qiang)化传热效果。显然,纳米(mi)流体长(zhang)期分(fen)散稳定(ding)是其换热能力提升的前提,而(er)制备(bei)兼具(ju)导热系数高和稳定性(xing)强的纳米(mi)流体(ti)(ti)已(yi)成为使其应用普遍化的(de)重点和(he)难(nan)点。
纳米颗粒在(zai)流体(ti)中(zhong)的(de)聚集(ji)状态
纳米流体(ti)的制备
目前(qian),纳(na)米流(liu)体(ti)的制备方法分(fen)为两种(zhong),即单步法和(he)两步法。
一、单(dan)步法
单步法(fa)是指在制备(bei)纳(na)(na)米(mi)粒(li)子(zi)的同(tong)时直接(jie)将纳(na)(na)米(mi)粒(li)子(zi)分(fen)散到基(ji)液中得(de)到纳(na)(na)米(mi)流体(ti),如(ru)通过物理气相(xiang)沉积法(fa)(PVD)和化学液相法等直接制备纳米粒子。
单(dan)步法制备的纳(na)米流体(ti)一般(ban)分散性好、悬浮稳定性高,这是因(yin)为避免了额外的分(fen)散步骤从而减少纳米粒(li)子团聚(ju)。然(ran)而单(dan)步法制(zhi)备(bei)纳米流(liu)体也存在(zai)成本过高(gao)、设备(bei)复(fu)杂、无法规(gui)模(mo)化生产等(deng)问题,并且此法一般(ban)难以控制(zhi)纳米粒(li)子的尺寸分布和纯度,只适(shi)用于低蒸气(qi)压基液纳米流(liu)体的制(zhi)备(bei)。
二、两步法
两步(bu)法是指先制(zhi)备出纳(na)米(mi)(mi)粒(li)子(zi),再(zai)将纳(na)米(mi)(mi)粒(li)子(zi)以某种方式(shi)分散(san)到基(ji)液中得到纳(na)米(mi)(mi)流(liu)体(ti)。两步(bu)法制(zhi)备纳(na)米(mi)(mi)流(liu)体(ti)具有(you)工艺简单、成本低等优势,几(ji)乎(hu)适用于所有(you)纳(na)米(mi)(mi)流(liu)体(ti)的制(zhi)备,如不(bu)同(tong)基液的Al2O3、TiO2、ZnO、CNTs等纳米流体(ti)。
虽然此法制备的纳米(mi)流体稳定性一般不及单(dan)步法,往(wang)往(wang)在一段(duan)时间后发生团聚、沉(chen)降等现象,但通过超声(sheng)处理、添(tian)加表面活(huo)性剂和调(diao)节(jie)PH等手(shou)段,已经可(ke)以制(zhi)备出(chu)保(bao)持(chi)相对稳定的(de)纳(na)米流(liu)体。考虑到经济因(yin)素和产品需求(qiu)量(liang),目(mu)前制(zhi)备纳(na)米流(liu)体大多采(cai)用两(liang)步法。
纳(na)米(mi)流体(ti)的两(liang)步(bu)法制备路线(xian)
纳米流体的应用(yong)
因为优异的传(chuan)(chuan)热(re)性能,纳(na)米流体(ti)已(yi)发(fa)展成一种新(xin)型导热(re)介质来(lai)满足热(re)系统高负荷的传(chuan)(chuan)热(re)冷却要求,甚至(zhi)微(wei)尺度条件下的强化传热(re)(re)要求。目前已有将(jiang)纳(na)米流体应(ying)用于汽车行业、化工工业、空调制冷、太阳(yang)能集(ji)热(re)(re)和微通道散热(re)(re)器等不同领域(yu)。
一、汽车行业应用
近年(nian)来(lai),纳(na)米流(liu)体(ti)在壳管(guan)式(shi)、双管(guan)式(shi)、平板式(shi)等不(bu)同类型换热器(qi)中的传热研究受(shou)到越来(lai)越多的关注。相(xiang)比于(yu)不含纳米颗粒(li)的冷却(que)液,纳米流体(ti)用(yong)作发动机冷却(que)液可实(shi)现更(geng)(geng)高的换热增强,这种强化(hua)(hua)传热的方法有望使汽车(che)散热器更(geng)(geng)小、更(geng)(geng)轻,从而使汽车(che)能(neng)有更(geng)(geng)多(duo)空间提高综合性(xing)能(neng),实(shi)现轻量化(hua)(hua)。
板式换热(re)器工作原(yuan)理
二、微通道散热器(qi)应用
电(dian)子系统(tong)中散发的(de)大量热(re)量必须有效地消(xiao)除以防止过热(re)和芯片故障,使用微通道液(ye)冷是替代笨重的铝散(san)热(re)器的一种有吸引力的方法。与(yu)传统(tong)散(san)热(re)器需(xu)要大的表面积来增加散(san)热(re)率(lv)不(bu)同,这(zhei)些(xie)通道(dao)可以直接集成到芯片中,而使用纳(na)米流(liu)体(ti)代替传统(tong)的冷却介质(zhi)可以进一步增强(qiang)冷却效果(guo)。
微(wei)通(tong)道散热器
三、太阳(yang)能集热器应用
太(tai)(tai)阳(yang)能(neng)集(ji)热(re)器(qi)是将(jiang)太(tai)(tai)阳(yang)辐(fu)射(she)能(neng)转化(hua)为(wei)传(chuan)输介质(zhi)(zhi)内能(neng)的一种(zhong)特殊的热(re)交(jiao)换(huan)器(qi),其强化(hua)传(chuan)热(re)是实(shi)现节能(neng)的关键问题(ti)之一。目前已有将(jiang)各种(zhong)纳米流体(ti)应用于(yu)太(tai)(tai)阳(yang)能(neng)集(ji)热(re)器(qi)的研究(jiu)工作,研究(jiu)发现,使用纳米流体(ti)为(wei)介质(zhi)(zhi)的太(tai)(tai)阳(yang)能(neng)集(ji)热(re)器(qi)相对于(yu)常规(gui)平板器(qi),工作效率(lv)大幅提高。
太阳能集热器
总结
纳米流体将纳米技术与热能(neng)工(gong)程(cheng)这一传统领域创新(xin)性(xing)地结合起来,在(zai)强化传热领域(yu)的(de)(de)(de)前(qian)景巨大,但(dan)目前(qian)无论(lun)(lun)实验(yan)还(hai)是(shi)理(li)(li)论(lun)(lun)研(yan)(yan)究都受到一定(ding)的(de)(de)(de)限制。实验(yan)工作的(de)(de)(de)限制,主要是(shi)颗(ke)粒的(de)(de)(de)团聚与(yu)稳定(ding)性(xing)问题;而(er)理(li)(li)论(lun)(lun)研(yan)(yan)究中,数值模拟需要更(geng)精确的(de)(de)(de)模型。未来研(yan)(yan)究的(de)(de)(de)重点一是(shi)实现纳米流体的(de)(de)(de)长期(qi)分散稳定(ding)和高换热特性(xing),以实现其规模化应用;二是(shi)建(jian)立合适(shi)的(de)(de)(de)模型,用于纳米流体的(de)(de)(de)性(xing)能预测(ce)与(yu)理(li)(li)论(lun)(lun)解释。
参考来源:
纳米流体导热介质(zhi)研究进展,贾东、蔡淑红、李(li)献强、郝文静(jing)、刘(liu)波(bo)涛、谭(tan)凯锋、王峰(feng)(中(zhong)国船舶集团(tuan)有限(xian)公司第(di)七一八研究(jiu)所)。
粉体圈小吉
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