纳米流体研究进展.

纳米流体研究进展摘要：纳米流体作为一种新型换热工质展现出异常良好的换热性能和良好的稳定性目前，人们对于纳米流体的研究还不够深入，纳米流体各种特性的机理尚不清楚。进一步开展纳米流体各种特性的机理研究，有助于加深人们对纳米流体的认知，能够促进纳米流体的工程应用，是非常有意义的工作。本文综述了纳米流体制备、纳米流体的稳定性、传热特性、导热系数研究进展。并对其在应用上作出了展望。关键词：纳米流体；稳定新；传热特性；导热系数1引言：随着科学技术的飞速发展和能源问题的日益突出，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。随着纳米科学与技术的进步，纳米尺度材料和技术越来越多地进入强化传热工作者的视野。1995年美国Argonne国家实验室的Choi等[1]率先提出了纳米流体的概念。所谓纳米流体，是指以一定的方式在液体介质中添加纳米粒子或纳米管而形成的悬浮液。纳米流体与传统换热介质相比，在增强传热方面有着优良的特性。研究表明：纳米流体能显著提高传统换热介质的导热系数[2]。此外纳米流体在氨水鼓泡吸收实验中也表现出了很好的强化氨气吸收效果。制备导热系数高、换热性能好、传质效果强的纳米流体也必定会促进其在能源、化工、微电子、信息等领域的发展[3]。纳米流体概念的提出给强化传热技术的研究带来了新的希望。开展纳米流体强化传热机理研究，搞清楚影响纳米流体强化传热的主要因素，对于促进纳米流体在传热领域的应用有重要的意义。基于此，本文主要从纳米流体制备、纳米流体的稳定性、传热特性、导热系数等方面的最新进展及存在的问题进行叙述。2纳米流体的制备关于纳米流体的制备，己有许多相关综述可以参考，文献中采用的制备方法主要有两步法和一步法[4,5]：两步法是最为便利、经济的制备方法。纳米粉体工业已经较为成熟，可以通过物理或化学方法制备出金属或非金属的纳米颗粒、纳米管等纳米材料。两步法是指直接将纳米粒子分散到基液中的方法。首先，通过气相沉积法、化学还原法、机械球磨法或其它方法制备出纳米粒子、纳米纤维或纳米管，然后通过超声波振动、添加活性剂或分散剂、改变溶液pH值的方法，使纳米颗粒均匀地分散到基液中。由于两步法将纳米粒子的制备和纳米流体的制备分离开来，造成纳米粒子在两步操作过程中容易聚集，尤其是在纳米粒子干燥、储存、运输过程中。纳米颗粒的聚集容易造成微管堵塞、热导率降低。由于纳米粉体合成技术日益完善，已经达到工业化生产水平，两步法在工业化合成纳米流体发展方向上具有明显优势，但是，如何使悬浮液获得长期稳定性却是一个尚未得到很好解决的问题。宣益民等[6]将Al，Cu纳米颗粒，通过超声分并利用分散剂分散到机油传热液中得到浮到纳米流体。Hong等[7]通过两步法将Fe纳米晶粉末直接分散于EG(乙二醇)中制备了Fe/EG纳米流体。谢华清等[6]将碳纳米管，SiC纳米颗粒经超声振动和磁力搅拌添加到水，泵油中得到纳米流体。一步法就是在颗粒制备的同时将颗粒分散到基液中去。在这种方法中，纳米粒子通过物理气相沉积法或化学气相沉积法制备出来并直接混溶于基液中。由于这种方法避免了纳米粒子的干燥、储存、运输和分散过程，纳米粒子不易团聚，制备出来的纳米流体稳定性较好。但该法仅适合在低蒸气压的流体中制备含金属粒子的纳米流体，并且对设备要求较高，费用高，产量小，不易于工业化生产。Zhu[8]提出了一步湿化学还原法制备纳米流体，在微波辐射条件下以次亚磷酸钠(NaH2PO2·H2O)为还原剂在乙二醇中还原五水硫酸铜(CuSO4·5H2O)来制备Cu/乙二醇纳米流体。这种方法得到了悬浮稳定无团聚的Cu/EG纳米流体。朱海涛[9]将纳颗粒湿化学法与纳米流体制备相结合(一步湿化学法)，制备出石墨一水，Cu0一水等纳米流体。3纳米流体的稳定性纳米流体的稳定性好坏是制备成功与否的关键。由于纳米粒子间具有相互连接面，其表面能的趋势、体系的稳定与否取决于颗粒间的排斥力和吸引力。前者是稳定的主要因素，后者是聚沉的主要因素。所以在纳米流体的制备过程中要尽可能地增加纳米颗粒间的排斥力、降低吸引力，使纳米流体处于稳定状态。而在纳米流体中起降低纳米粒子间引力作用的主要是溶液的pH值和分散剂，因此两者也就成为了影响纳米流体稳定性的主要因素。3.1pH值的影响pH值影响纳米流体稳定性的理论基础是金属氧化物和氢氧化物的电位与H+和OH－的吸附密切相关，从而能够对分散性产生一定影响。通过调节溶液的pH值能增加或抑制颗粒表面酸碱基团的解离，也就是改变了颗粒表面的电荷量，从而能起到影响体系分散性的作用[10]。针对不同的纳米流体，pH值都能对纳米流体的稳定性产生重要影响，但是不同的制备条件和纳米流体的不同所需要的最佳的PH值各不相同，且目前并未找到一定的影响规律，因此配制纳米流体时需根据纳米颗粒的种类、粒径、分散剂的种类、含量与基液的性质等诸多因素，调节pH值从而改善其稳定性[11]。3.2分散剂的影响分散剂能够降低纳米颗粒的表面张力，优化颗粒表面的润湿特性，减弱颗粒间的吸引力，在颗粒间形成有效空间位阻以提高排斥力等等。因此向液体系中添加分散剂能够增强纳米流体稳定性。纳米流体采用不同分散剂时稳定效果各不相同，同样，不同纳米流体所对应的最佳分散剂也不同。且分散剂的种类及浓度同样是纳米流体稳定性的重要影响因素。且不同的纳米流体所对应的最佳分散剂种类和含量也不同，故为确定合适的分散剂种类及浓度只能运用实验手段来探寻最合适的分散剂种类和所对应的浓度[12]。3.3其他除了前面提到的PH值和分散剂以外还有诸多因素影响纳米流体的稳定性，包括纳米流体中各项组分的含量、纳米颗粒粒径、基液黏度、温度等。研究者们采用了许多方法来提高纳米流体的稳定性。Hong等[13]通过超声分散的方法来提高Fe/EG纳米流体的稳定性。Xuan和Li[14]分别以盐和油酸为分散剂来提高Cu/oil和Cu/H2O纳米流体的稳定性。Murshed等[15]用油酸(Oleicacid)和CTAB(Cetyltrimethylammoniumbromide)为分散剂来提高纳米流体的稳定性。Xie[16]利用浓硝酸来分散缠绕的碳纳米管聚集，得到了稳定和分散均匀的CNTs/DW(去离子水)、CNTs/EG(乙二醇)、CNTs/DE(癸烯)纳米流体。综上所述，影响纳米流体热导率的因素很多，包括添加物的尺寸、形态、体积分数、热导率，基液的粘度、温度、热导率以及纳米颗粒与基液之间的固-液界面层的性质。研究者们在这方面做了大量工作。4纳米流体的传热特性研究纳米流体最终的目的便是将其应用于工业产生中，而在实际应用中人们所最关心的便是其对流换热系数、沸腾换热系数等传热性能。目前关于纳米流体对流换热的实验研究主要集中在水平细长圆管内的对流换热特性。研究了颗粒体积分数、纳米颗粒属性、管径、温度、纳米流体的流动状态(层流、湍流)、Re数等对纳米流体对流换热的影响[17-19]。由于所采用的纳米流体不同、实验条件不同，所获得的影响规律也存在不少分歧。此外，纳米流体在自然对流、微孔道中的换热研究也有报道，但存在传热恶化与强化的分歧[17,19]。纳米流体对流换热的实验研究还较少，研究结果也不一致。在纳米流体对流换热机理方面，人们采用均相模型、分散模型、颗粒迁移模型、非均相热平衡模型、格子-波尔兹曼等方法进行了研究[17]。由于对纳米颗粒的运动规律缺乏深入了解，提出的模型难以全面考虑纳米流体强化传热的影响因素，并且模拟结果与实验数据缺乏比较，因而现有的模型尚待改进。目前纳米流体的沸腾换热以池沸腾为主，核沸腾换热和临界热流密度作为池沸腾换热曲线最重要的两部分备受关注。在核沸腾换热方面，研究了纳米颗粒含量、腾表面粗糙度、热流密度、超声等的影响，并对气泡、沸腾前后表面粗糙度的变化进行了研究[17,18,20]。部分研究认为纳米颗粒在沸腾表面沉积，导致核沸腾换热恶化，有的则认为添加纳米流体的研究进展及其关键问题是减小液体表面张力、增加汽化核心数目，使核沸腾换热强化。孟照国等[20]在颗粒临界热流密度方面，研究了纳米颗粒大小及含量、基液种类、纳米流体稳定性等的影响，结果均发现纳米流体能大幅增加临界热流密度。此外，纳米流体在微通道中的流动沸腾换热、在热管中的沸腾换热也有报道。人们从纳米流体的热物理参数、沸腾界面特征等方面研究了沸腾传热机制，发现导热系数的提高及表面张力的降低对沸腾换热起积极作用;纳米颗粒在沸腾表面的沉积是影响纳米流体沸腾换热的主要因素，但纳米颗粒的沉积使沸腾界面的特性异常复杂。对沸腾界面特性的系统全面表征有望揭示纳米流体沸腾传热的机制。5纳米流体导热系数研究进展纳米流体热导率的测量方法主要分为稳态和非稳态法。稳态方法主要是传统的稳态平板法[21]，非稳态方法有瞬态热线法[22]、3ω方法[23]。在以上几种方法中，瞬态热线法由于其测量设备简单且测量速度快成为目前最常用的方法，而基于谐波探测技术的3ω方法由于其测量精确，而且一定条件下能同时测量纳米流体的热导率和热扩散系数正逐渐被越来越多的人采用[24]。纳米颗粒的体积分数、大小、种类以及形状，本相流体的种类、温度、添加剂、酸碱等因素都会影响纳米流体的热导率，其影响表现在：①随着纳米颗粒体积分数的增加，纳米流体热导率提高，并且提高程度是非线性的[25]；②随着纳米颗粒尺寸的减小，纳米流体的热导率增加。如Li等[26]的实验结果表明对Al2O3-H2O纳米流体，在相同的体积分数和测试温度下，36nm的粒子构成的纳米流体其热导率要高于47nm的体系。但是，纳米颗粒在何种范围内，纳米流体的热导率随着颗粒的减小而增大，目前还没有统一的标准。相反地，最近有研究结果发现，当纳米粒子的尺寸减小至量子尺寸时，纳米流体的热导率与本相流体相比并没有提高，此结果表明小粒子的纳米流体体系更为复杂；③XIE等[27]和TIMOFEEVA等[28]的研工作都表明.拉长形状（例如柱状）的纳米粒子组成的纳米流体其热导率要高于球形纳米粒子；④纳米颗粒的种类对纳米流体热导率的影响分两种情况，对热导率较低的纳米颗粒（例如金属氧化物[29]），纳米颗粒种类不影响纳米流体的热导率；而对于热导率较高的纳米颗粒（例如金属[30]）则不然，在一定的纳米颗粒体积分数下，不同种类的纳米颗粒组成的纳米流体的热导率相差比较大；⑤本相流体热导率越低，则其相应的纳米流体的热导率提高的程度越大[31]；⑥纳米流体的热导率强烈地依赖于温度[25]，这一点目前可以达成共识，并且其原因主要是纳米粒子的运动。但从目前的实验结果看来，温度如何影响纳米流体的热导率并没有一致的结论。根据纳米流体的不同，热导率可以随着温度的增加而增加，也可以随着温度的增加而减小，甚至有的随温度的变化并不单调；⑦研究表明纳米粒子的团聚会直接影响纳米流体的热导率[32]，很多研究者通过加入添加剂来保证纳米粒子分散在本相流体中，以此来阻止粒子之间的聚集。关于添加剂对纳米流体热导率的影响这部分研究工作，根据添加剂的种类以及添加数量的不同在以往的文献中比较分散。但是大部分涉及添加剂的研究结果[30,33]表明加入添加剂可以提高纳米流体的热导率；⑧少量的文献中报道了pH值会影响纳米流体的热导率，存在一个优化的pH值，此时纳米流体的热导率最高。综上可以看出，目前在实验研究上对于纳米流体热导率的影响因素有一个定性的结论，即纳米流体能显著提高本相流体的热导率，但是对其影响规律的认知还存在许多分歧，不同的研究者对于纳米流体热导率的研究得出的结果存在一定差异，因此这方面还有待于进一步的深入研究。6结语与展望纵观国内外研究者对纳米流体的研究工作，可以看出：①在纳米流体的热物性研究方面，相当数量的工作集中于纳米流体热导率的研究，对热导率影响因素的实验研究比较深入，但是对其影响规律的认知还存在许多分歧；②对纳米流体对流传热的研究相对较少，许多研究者的研究结果不一致，并且模拟结果与实验数据缺乏比较；③纳米颗粒的添加对纳米流体比热容的影响仍无一致结论