第２５卷第１期 ２０１１年２月 江苏科技大学学报（自然科学版）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖ０１．２５ Ｎｏ．１
Ｆｅｂ．２０１１
纳米流体强化传热实验研究进展 赵忠超，张东辉，陈育平，周根明 （江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江２１２００３）
摘要：随着对纳米流体研究的逐步深入，纳米流体作为一种新型强化传热介质，呈现出了与传统流体迥然不同传热性能． 文中综述了近年来纳米流体的制备、稳定性、强化换热性能等方面的最新实验研究进展，并对实验结果进行了简要分析，给 出了在不同传热方式下影响其传热性能的主要因素，同时针对纳米流体实验研究的发展方向提出了展望． 关键词：纳米流体；制备；强化换热 中图分类号：ＴＫ１７２．４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３—４８０７（２０１１）０１—００４４—０５
Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｕｓｉｎｇ ｎａｎｏｆｌｕｉｄｓ Ｚｈａｏ Ｚｈｏｎｇｃｈａｏ，Ｚｈａｎｇ Ｄｏｎｇｈｕｉ，Ｃｈｅｎ Ｙｕｐｉｎｇ，Ｚｈｏｕ Ｇｅｎｍｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｎａｖａｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｏｃｅａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ ２１２００３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ａ ｋｉｎｄ Ｏ｛ｎｅｗ ｍｅｄｉａ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ，ｎａｎｏｆｌｕｉｄｓ ｈａｖｅ ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ ｗｉｄｅｌｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄｓ．Ａ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｒｅｖｉｅｗ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｃｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎ ｅｘ－ ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｐｒｉｍａｒｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｎａｎｏｆｌｕｉｄｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｎａｎｏｆｌｕｉｄｓ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎａｎｏｆｌｕｉｄｓ；ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ；ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ
随着科学技术的快速发展和能源问题的日益 突出，热量传递问题大量出现在动力、冶金、石油、 化工、材料等工程领域以及航空、航天等高技术领 域，因此，强化传热技术在能源的开发和利用过程 中起着重大甚至关键性的作用，并已经成为现代传 热学中一个十分引人关注的研究领域．目前，全球 工业飞速发展使强化传热技术面临更高的挑战，伴 随着强化传热技术研究的深入，研究者逐渐认识到 传统的导热流体，如水、油、乙二醇等，因其导热系 数较低，已经成为制约强化传热技术发展的主要障 碍，特别是在能源、化工、微电子、航空及航天等领 域．因此，研制导热系数高、换热性能好的高效传热 流体成为强化传热技术的热点．２Ｏ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．文献 ［１］首次提出了一个崭新的概念——纳米流体：即 以一定的方式和比例在液体中添加纳米级非金属、 金属或金属氧化物粒子，形成一类新的传热冷却工 质．纳米流体概念一经提出，关于纳米流体的制备、 稳定性及其强化换热特性等问题引起了世界各国 研究学者的广泛关注．自１９９７年以来，公开发表关 于纳米流体相关研究论文逐年增加，纳米流体与传 统传热介质相比较，不仅具有较高的导热系数和对 流换热系数，而且相对基于Ｍａｘｗｅｌｌ理论指导下在 液体中添加毫米或微米级的固体粒子悬浮液而言， 纳米流体中的固体粒子悬浮稳定性好、不会堵塞或 磨损换热设备、也不会引起热力系统压降大大提 高．因此，纳米流体较传统悬浮液体的诸多优势显 著地拓展了工程应用． 尽管纳米流体的强化传热性能得到了研究人
收稿日期：２０１０—０２—２６ 基金项目：江苏科技大学青年骨干教师基金资助项目（３７０１０９０１）；江苏科技大学引进人才科研启动基金资助项目（３５０２０７０４） 作者简介：赵忠超（１９７５一），男，山东青岛人，副教授，博士，研究方向为强化传热、建筑节能及室内空气品质． Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｏｚｈｏｎｇｃｈａｏ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｒｎ．ｃｎ 第１期 赵忠超，等：纳米流体强化传热实验研究进展 ４５ 员的广泛认可，但是纳米流体中纳米粒子的尺寸效 应使得纳米流体的制备、稳定性及其强化传热机理 更为复杂，其传热特性受到诸多因素影响，且其强 化传热机理还未能被很好地解释．
１ 纳米流体的制备及分散性和稳定性 由于纳米流体中纳米颗粒的尺度效应，其表现 出的物理性质已经与由传统尺寸微粒构成的悬浮 液体有着显著的差异，如纳米颗粒在基液中的分散 性、稳定性等都将对纳米流体的热物理性质产生较 大影响．因此，纳米流体的制备、分散性及稳定性的 研究是纳米流体强化传热特性研究的前提和基础． １．１纳米流体的制备及其分散性 纳米流体制备就是将纳米级尺度的固体颗粒 分散到基液（去离子水、乙二醇、机油、导热油等） 中构成纳米流体．目前，纳米流体常用的制备方法 分为单步法和两步法． 单步法是指将纳米颗粒的制备和纳米颗粒分 散到基液中两个不同的操作过程同时进行的方法， 也就是通过物理蒸发沉积方法，即：流动液面真空 沉积法（Ｖａｃｕｕｍ Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｎｔｏ ａ Ｒｕｎｎｉｎｇ Ｏｉｌ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ，ＶＥＲＯＳ）．文献［２］应用ＶＥＲＯＳ方法制备 了Ｃｕ／乙二醇纳米流体，其方法是将Ｃｕ蒸汽接触 流动的低蒸发压力的乙二醇液体．文献［３］采用一 步湿化学法，即在乙二醇中加入强还原剂（次亚磷 酸纳或肼）及采用微波辐射作为加热源，制备了 Ｃｕ／乙二醇纳米流体．研究表明还原剂的加入量以 及微波辐射加热强度是影响纳米流体物性的主要 因素．文献［４］应用真空潜弧纳米系统制备Ｃｕ／水 纳米流体，该方法可以有效的控制分散到基液中纳 米颗粒的粒径尺寸及其团聚．由于应用单步法技术 省略了纳米粒子的干燥、储存、运输及分散等过程， 因此大大地减少了纳米粒子聚集，且可以获得小尺 度的纳米粒子，提高了纳米流体的稳定性，但是单 步法技术仅适用于低蒸汽压的流体． 两步法是指首先用惰性气体凝聚或化学蒸汽 分解等方法制备纳米粒子，然后通过适当的分散手 段（加入分散剂、改变体系ｐＨ值、超声振动等）分 散到基液中．文献［５］应用两步法制备了Ｃｕ／水、 Ｃｕ／变压器油等纳米流体，为了防止铜纳米颗粒的 团聚，应用了表面活性剂及超声搅拌等方式分散纳 米粒子．文献［６］采用两步法制备了ＡＬ Ｏ，／水、 ＡＬ Ｏ ／机油纳米流体，同时采用了超声振动和磁 力搅拌的方式避免纳米粒子的团聚．文献［７］等应 用两步法制备了ＴｉＯ ／水纳米流体，为了保证ＴｉＯ 纳米粒子在基液中分散均匀，采用了油酸和十六烷 基三甲基溴化铵表面活性剂防止纳米粒子的团聚． 两步法较单步法而言，制备方法程序简单，成 本低，几乎适用于所有种类纳米流体的制备，可制 备单步法无法得到的以一些高蒸汽压的液体作为 基液的纳米流体．但是，对于纳米粉体而言，由于其 巨大的比表面积及表面活性，颗粒易形成团聚体， 如果不能有效的解决团聚问题，那么就降低了纳米 流体的稳定性进而削弱了其强化传热性能． １．２纳米流体的稳定性 纳米流体能够在一定的时间内稳定分散、不沉 降是纳米流体强化传热的必要条件，然而，纳米流 体是多相分散体系，具有巨大的界面能，在热力学 上是不稳定的．因此，通过调控分散条件是纳米粒 子在一定的时间内不发生聚集和沉降，从而达到动 力学的稳定和聚集稳定是科研人员研究的重要内 容之一．文献［８］采用实验的方法研究了Ｃｕ／水纳 米流体稳定性与纳米流体的ｐＨ值以及纳米流体 浓度之间的关系．实验结果表明：通过使用分散剂 将Ｃｕ／水纳米流体的ｐＨ值保持在９．５左右，其可 以获得最好的稳定性．文献［９］采用ＵＶ．ｖｉｓ光谱分 析法研究纳米流体的稳定性．研究发现纳米流体的 稳定性与纳米粒子化学结构、形态以及基液的性质 有较强的依变关系；纳米粒子的粒径尺寸和基液的 动力粘度是影响纳米流体稳定性的最重要的两个 因素．文献［９—１０］应用ｕＶ—ｖｉｓ光谱分析法，通 过测量纳米流体对光谱的吸收特性获得了纳米流 体的浓度与纳米颗粒沉积时间的关系． 目前，提高纳米流体稳定性的技术手段仅局限 于添加分散剂、调节纳米流体ｐＨ值及超声振荡等 技术手段，通过上述方法制得的纳米稳定性也保持 在几天至几个月不等．因此，现有的技术手段还不 能完全满足纳米流体稳定性的要求，通过改变纳米 粒子的微观结构应当是提高纳米流体稳定性的发 展趋势．
２ 纳米流体强化传热性能的实验研究 随着纳米流体概念的提出和对其研究的逐步 深入，研究的结果表明纳米流体的强化传热性能与 传统的流体及其悬浮液有显著的差异，突出地表现 在纳米流体的热传导性、纳米流体强化对流换热等 方面．由于纳米粒子尺度效应的影响，现有的强化 换热理论已经不能明晰地揭示纳米流体传热机理． 因此，对纳米流体的热传导性能及对流换热性能的 基础研究是当前研究的主要内容．