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用于高效换热的液态导热介质:纳米流体
日期:2022-01-14    浏览次数:
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工业应用和科学技术的众多领域涉及热量传递过程,强化传热可以提高系统或设备的传热效率,一般如果从换热设备着手,则往往需要增加系统的尺寸,不符合但如今系统轻量化、微型化的发展趋势,因此对换热导热介质提出更高要求。传统的导热介质如水、乙二醇、导热油等的导热系数偏低,近年来,突破传统导热介质的限制成为高效换热技术的研究重点。

冷却塔就是典型的换热设备

冷却塔就是典型的换热设备

什么是纳米流体?

在早期时候,研究人员就开始在液体中加入固体颗粒,以提高液体的导热系数。但大多数研究所用固体颗粒局限于毫米或微米级别,由于粒径过大,易于沉降,往往难以实现长期分散稳定,且容易造成设备磨损与堵塞,未能得到广泛应用。

 1995年,美国Argonne实验室的Choi等率先提出了“纳米流体”的概念,是指以一定的方式和比例,在常规液体中添加高导热系数的纳米级固体颗粒形成的一类新型传热介质。固体颗粒一般包括金属(Cu、Ag等),金属氧化物、氮化物、碳化物(Al2O3CuO、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。

几种导热材料的导热系数

几种导热材料的导热系数

虽然纳米粒子的引入能够大幅提高传统导热介质的导热系数,在强化传热领域具有明显优势。但水基、乙二醇基及水-乙二醇混合基的各类纳米流体几乎都存在长期分散稳定性差的问题。

纳米粒子在重力、范德华力等作用力下发生沉降、团聚,甚至分层,进而影响强化传热效果。显然,纳米流体长期分散稳定是其换热能力提升的前提,而制备兼具导热系数高和稳定性强的纳米流体已成为使其应用普遍化的重点和难点

纳米颗粒在流体中的聚集状态

纳米颗粒在流体中的聚集状态

纳米流体的制备

目前,纳米流体的制备方法分为两种,即单步法和两步法

一、单步法

单步法是指在制备纳米粒子的同时直接将纳米粒子分散到基液中得到纳米流体,如通过物理气相沉积法PVD)和化学液相法等直接制备纳米粒子。

单步法制备的纳米流体一般分散性好、悬浮稳定性高,这是因为避免了额外的分散步骤从而减少纳米粒子团聚。然而单步法制备纳米流体也存在成本过高、设备复杂、无法规模化生产等问题,并且此法一般难以控制纳米粒子的尺寸分布和纯度,只适用于低蒸气压基液纳米流体的制备

二、两步法

两步法是指先制备出纳米粒子,再将纳米粒子以某种方式分散到基液中得到纳米流体。两步法制备纳米流体具有工艺简单、成本低等优势,几乎适用于所有纳米流体的制备如不同基液的Al2O3TiO2ZnO、CNTs等纳米流体。

虽然此法制备的纳米流体稳定性一般不及单步法,往往在一段时间后发生团聚、沉降等现象,但通过超声处理、添加表面活性剂和调节PH等手段,已经可以制备出保持相对稳定的纳米流体。考虑到经济因素和产品需求量,目前制备纳米流体大多采用两步法。

纳米流体的两步法制备路线

纳米流体的两步法制备路线

纳米流体的应用

因为优异的传热性能,纳米流体已发展成一种新型导热介质来满足热系统高负荷的传热冷却要求,甚至微尺度条件下的强化传热要求。目前已有将纳米流体应用于汽车行业、化工工业、空调制冷、太阳能集热和微通道散热器等不同领域

一、汽车行业应用

近年来,纳米流体在壳管式、双管式、平板式等不同类型换热器中的传热研究受到越来越多的关注。相比于不含纳米颗粒的冷却液,纳米流体用作发动机冷却液可实现更高的换热增强,这种强化传热的方法有望使汽车散热器更小、更轻,从而使汽车能有更多空间提高综合性能,实现轻量化。

板式换热器工作原理

板式换热器工作原理

二、微通道散热器应用

电子系统中散发的大量热量必须有效地消除以防止过热和芯片故障使用微通道液冷是替代笨重的铝散热器的一种有吸引力的方法。与传统散热器需要大的表面积来增加散热率不同,这些通道可以直接集成到芯片中,而使用纳米流体代替传统的冷却介质可以进一步增强冷却效果。

微通道散热器

微通道散热器

三、太阳能集热器应用

太阳能集热器是将太阳辐射能转化为传输介质内能的一种特殊的热交换器,其强化传热是实现节能的关键问题之一。目前已有将各种纳米流体应用于太阳能集热器的研究工作,研究发现,使用纳米流体为介质的太阳能集热器相对于常规平板器,工作效率大幅提高。

太阳能集热器

太阳能集热器

总结

纳米流体纳米技术与热能工程这一传统领域创新性地结合起来,在强化传热领域的前景巨大,但目前无论实验还是理论研究都受到一定的限制。实验工作的限制,主要是颗粒的团聚与稳定性问题;而理论研究中,数值模拟需要更精确的模型。未来研究的重点一是实现纳米流体的长期分散稳定和高换热特性,以实现其规模化应用;二是建立合适的模型,用于纳米流体的性能预测与理论解释。


参考来源:

纳米流体导热介质研究进展贾东蔡淑红李献强郝文静刘波涛谭凯锋王峰中国船舶集团有限公司第七一八研究所)。

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