纳米流体

纳米流体强化传热技术进展目录1.何为纳米流体2.纳米流体强化换热的研究进展3.纳米流体应用现状4.纳米流体强化传热应用展望1.什么是纳米流体？1995年，美国Argonne国家实验室的Choi[1]等将纳米级金属或非金属氧化物颗粒，以一定的方式和比例添加到液体中，形成了稳定的悬浮液，将该悬浮液命名为纳米流体。纳米流体的出现给强化换热打开了新的局面。2.1纳米流体的制备方法2.纳米流体强化换热的研究进展一步法:一步法是同时获得纳米颗粒和纳米流体的方法两步法:两步法是先获得纳米颗粒，再将颗粒均匀分散于基液中2.纳米流体强化换热的研究进展2.2纳米流体稳定性影响因素及改善措施纳米流体悬浮液的稳定性直接影响到纳米流体的传热效果，因此如何提高纳米流体稳定性，制得分散均匀，稳定性高，导热系数高的悬浮液也引起了很多研究者的关注。纳米流体的稳定性同样受到诸多因素的影响。多数学者着重研究了纳米颗粒的体积份额、颗粒种类及粒径大小对纳米流体稳定性的影响。2.2纳米流体稳定性影响因素及改善措施如王补宣[10]等人研究了粒子质量分数、粒径、基液质量分数对CuO、悬浮液稳定性的影响,饶坚[11]等人则分析了PH值对纳米流体稳定性的影响，结果发现这些因素都对纳米流体的稳定性产生影响。彭小飞、俞小莉[12]等人研究了纳米粒子种类、粒径、密度、质量分数、基础液体性质、分散剂、pH值和超声振动对纳米流体稳定性的影响。袁文俊、周勇敏[13]就提出过造成纳米颗粒团聚的原因，并且也提出了一些相应的措施。之后，刘铃声、熊晓柏[14]等提出了改善纳米分体表面特性，解决纳米粉体的团聚问题，以进一步改善纳米粉体的分散性和悬浮液的稳定性。宣益民提出了多种方法来提高稳定性：（1）改变流体的PH值；（2）添加稳定剂（包括分散剂和表面活性剂）；（3）利用超声波震荡使纳米颗粒更均匀地分散到基液中。这三种方法的实质是改变了纳米颗粒的表面特性，抑制纳米颗粒的团聚。2.3纳米流体的实验研究李强、宣益民[16]针对Cu-水纳米流体（Cu纳米粒子的直径大约100nm)研究纳米流体的对流换热特性。实验中分别测量了纳米粒子体积份额为0.3%、0.5%、0.8%、1.0%和1.2%的水一Cu纳米流体在雷诺数为800-2500范围内的管内对流换热系数1.基液中加入纳米粒子能增大流体的管内对流换热系数2.粒子的体积份额会影响纳米流体对流换热系数4.021PrRe)0.1(321nfmnfmdmnfPeccNu结论2.3纳米流体的实验研究李泽梁、李俊明[17]等人对CuO纳米颗粒悬浮液中各组分对悬浮液稳定性及黏度的影响进行了研究。纳米悬浮液由CuO纳米颗粒（CuO的平均直径为50nm）、分散剂和水组成，其中使用的分散剂为十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和阿拉伯树胶，这两种分散剂的性能都比较优异，尤其是在一定的PH值下。1.添加SDBS分散剂的悬浮液的稳定性随pH值的增加先降后升2.有机小分子分散剂如SDBS与纳米颗粒质量分数之比(如w(CuO)=0.04时约为1∶1)分散性达到最佳,；纳米颗粒质量分数之比(如w(CuO)=0.04)悬浮液体系稳定性最好；结论3.CuO的稳定性随阿拉伯树胶的质量分数的增加而增强；4.相对于纳米颗粒质量分数变化对黏度的影响，分散剂质量分数的变化对黏度的影响更大；2.3纳米流体的实验研究金翼、YulongDing、DongshenWen[18]等人为进一步了解纳米流体在细微管道内强化对流换热的能力,以及对纳米流体强化对流换热系数的机理做出解释,通过测定纳米流体在细微管道内不同部位处的对流换热系数，来探讨其强化换热的机理。实验用了一套循环流动的系统，包括一个实验段,数据采集,冷却器以及水泵和储液槽等。实验用了不同质量分数的纳米流体，且在不同的雷诺数下也进行了不同质量分数纳米流体的对流换热系数的测定1.比较不同质量分数纳米流体在实验管内的对流换热系数的变化情况，发现基液中加入少量的TiO2纳米颗粒可以较大提高流体的对流换热系数,同时流体的对流换热系数随着颗粒的浓度增加而增加；2.比较同一雷诺数下管内对流换热系数变化情况,发现纳米流体的对流换热系数在入口段的提高比充分发展段更为明显,认为颗粒运动对流体边界层的干扰是主要因素。同时也对纳米流体在强化传热应用方面提出了自己的展望，希望纳米流体这种新型的强化传热工质能在冶金领域有广阔的应用前景。结论2.3纳米流体的实验研究朱冬生、李新芳[19]等人主要研究了氧化铝—水纳米流体的制备及其分散性，以期望能开发出性能优良的纳米流体。他们用两步法制备了氧化铝—水纳米流体，观察了纳米流体在不加和添加分散剂两种情况下的稳定性，并通过调节PH值观察氧化铝悬浮液的稳定性，主要通过分析zeta电位和吸光度，并通过直接观察纳米流体的沉降情况来判断1.通过将纳米粒子与液体直接混合,并添加分散剂及超声振动制备了氧化铝-水纳米流体。这种方法在实际应用中更加适合。沉降照片和粒径分布显示这种方法制备的纳米流体悬浮稳定性较高；2.观察了不同pH值对氧化铝粉体分散效果的影响,发现pH值约在8.0时,溶液的zeta电位绝对值较高,吸光度也较大,说明此时较分散效果较好结论3.选择了十二烷基苯磺酸钠SDBS分散剂进行分散实验,发现在0.1%的氧化铝—水纳米悬浮液中,SDBS质量分数为0.1%时,分散效果最好；4.zeta电位和吸光度分析是判断颗粒分散效果的一种重要的依据,而且zeta电位与吸光度有着良好的对应关系,zeta电位绝对值越高,对应的吸光度越大,则表明粉体体系的分散性能越好。2.3纳米流体的实验研究凌智勇、张体峰[21]等人对Cu－水纳米流体的稳定性及其粘度进行了实验研究。实验用两步法制备纳米流体并发现纳米流体的稳定性与纳米颗粒添加到基液中的速度有关，添加的速度越缓慢，流体的稳定性越好，这对制备稳定性较强的纳米流体又是一个新的启示1.对于Cu－水纳米流体而言，当分散剂SDBS的含量与Cu质量分数相当时，纳米流体的稳定性较好，这与朱冬生、李新芳等人的研究结果相一致。当Cu纳米粒子的质量分数分别为0.1％、0.5％和1.0％时，Cu－水纳米流体最佳的分散剂用量分别为0.06％、0.5％和1.2％的条件下，纳米流体制备完成后2h内团聚现象较明显，2h后有所缓和，并趋于稳定；2.纳米流体的粘度随着所加纳米颗粒的份额增多而增大，但与理论值之间尚存在差距，然而至今为止研究者们对影响粘度的因素还没有完全研究清楚，故在这个问题上还需要研究者们作出大量的实验研究，以得出一个完整的准确的计算粘度的公式。结论2.3纳米流体的实验研究在大多数研究者用两步法制备纳米流体悬浮液的情况下，夏国栋、周明正[22]等人用一步法制备Ag纳米流体，研究了Ag（平均粒径4.8nm）纳米流体浸没射流冲击换热特性，夏认为用一步法可以避免两步法制备过程中带来的二次团聚问题。同时他们也突破以往的最常用的超声波振荡法，而是用了超声膜扩散法，也是一种新的尝试，具有借鉴意义。另外，夏等进行的是受限浸没射流阵列热沉内流动换热实验，与以往许多的纳米流体对流换热实验进行的条件也不相同。1.引入表面活性剂（PVP）会对纳米流体的黏度产生较大影响,少量Ag纳米颗粒的加入对纳米流体黏度及流动压降的影响很小；2.与加入表面活性剂的基液相比,加入Ag纳米颗粒后纳米流体射流冲击对流传热系数明显提高；结论3.纳米流体传热系数增加的原因除了热导率增加外，Ag纳米颗粒的微运动、微扩散也起了重要作用。他们的研究为纳米流体强化传热的研究提供一种更为广阔的思路。2.2纳米流体稳定性影响因素及改善措施如此多的研究者之所以对纳米流体在强化传热方面的应用上不懈地研究，其目的都是为了是纳米流体能更加广泛地应用到传热、冷却等各个领域，在能源紧缺情况下，能提供一条有效缓解甚至解决能源危机的切实有效的途径。在此基础上，已经有不少研究者提出了纳米流体的新应用。titleB.2011年彭稳根、刘元春[30]等进行了发动机冷却系统内纳米流体强化换热模拟的实验，提出以二氧化钛、氧化铝、氧化铜纳米流体作为发动机内的冷却介质发动机的散热性有明显的提高效果。但是同时也提出了可能会存在的一些问题，如会少量增加泵的消耗，会造成局部较低的换热系数，更重要的是此实验是在常壁面温度条件下模拟的，与实际不可避免地存在出入。A.杨硕、朱冬生[29]等人早在2000年就提出了关于纳米流体在相变蓄冷方面的应用。由于在水基液中加入氧化铝纳米颗粒能明显降低其成核过冷度，增大结冰速率，缩短相变时间，而且在相同蓄冷时间段内，纳米流体的蓄冷量大于纯水的蓄冷量，所以纳米流体在相变蓄冷材料中具有明显优势，值得推广。C.2012年，庞乐、刘振华[31]做了水基纳米流体在铜丝平板热管中的应用的实验，实验表明水基纳米流体作为铜丝结构平板热管工质有明显的强化传热效果。并且进一步指出20nmCu纳米流体的传热能力要优于50nmCu和50nmCuO纳米流体，更加能够显著强化铜丝平板热管的传热。D.王文婷、朱群志[33]等将纳米流体应用于直接吸收式太阳能高温集热器，许多国内的研究者也在这方面有过研究[34-35]。然而在这方面的研究大都还处在理论研究状态，尤其是对高温下纳米流体的特性及光辐射性质都有待进一步研究，因此有广阔的前景。展望纳米流体强化传热应用展望除了加强对纳米流体的理论研究，更为重要的是将理论研究成果运用于实践中，真正发挥纳米流体这种新型材料的重大作用。由于目前能源的紧缺以及国家和政府对新能源开发及利用的大力关注，希望未来纳米流体能更多更好的应用于节能环保领域，如发电领域。尽管目前研究者们对纳米流体应用于各个领域的实验研究越来越多，但是还是存在一些理论上和技术上不成熟的地方，如在纳米流体制备方法上就存在制备方法、分散手段和稳定性调控[36]等方面的问题，未来应该在这些比较基础的问题上多做一些研究，努力改进纳米颗粒的表面性质，以制备出性能更加优异的纳米流体。同时要采用更为精确的测量手段测定纳米流体的传热，以期能够真正掌握纳米流体强化传热的机理。