納米流體應(yīng)用于熱管的前景

張羽翔 董華東 戚俊清

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院)

0 引言

熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來(lái)實(shí)現(xiàn)傳熱的高效傳熱元件。它具有較大的傳熱能力、較強(qiáng)的等溫性、熱流方向可逆等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，目前在傳熱技術(shù)領(lǐng)域引起人們?cè)絹?lái)越大的重視。近年來(lái)，不少學(xué)者利用納米流體的特殊性能強(qiáng)化熱管相變換熱能力，初步研究取得了良好的效果。納米流體在工程中的應(yīng)用研究已逐步展開(kāi)，這種全新技術(shù)將有廣闊的應(yīng)用前景。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)納米流體應(yīng)用于熱管的研究基本以試驗(yàn)研究為主。本文對(duì)納米流體應(yīng)用于熱管的前景進(jìn)行了分析，以期為進(jìn)一步的理論和實(shí)驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ)。

1 熱管技術(shù)進(jìn)展

熱管作為一種高導(dǎo)熱性能的傳熱裝置，自20世紀(jì)60年代在美國(guó)誕生以來(lái)，其應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于航天工業(yè)、動(dòng)力工程、能量工程、醫(yī)學(xué)及化學(xué)工程等領(lǐng)域。近年來(lái)熱管開(kāi)始向微型化發(fā)展。微型熱管是伴隨著微電子技術(shù)的發(fā)展而興起的，在各種微小空間散熱方面有著廣闊的應(yīng)用前景[1-3]，如在醫(yī)療手術(shù)、電子裝置芯片、筆記本電腦CPU的冷卻、電路控制板的冷卻、太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能電站和核電工程等方面的應(yīng)用。

2010年，逄燕[4]對(duì)熱管技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展情況進(jìn)行了較全面的綜述，重點(diǎn)論述國(guó)內(nèi)外熱管技術(shù)在凍土病害防治、太陽(yáng)能采暖、工業(yè)、電力電子、糧食果蔬儲(chǔ)藏等領(lǐng)域的應(yīng)用情況，并指出目前該技術(shù)發(fā)展存在的問(wèn)題。2010年，尚鐘聲[5]等對(duì)熱管技術(shù)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，主要介紹了熱管技術(shù)在爐內(nèi)余熱回收器、蒸汽發(fā)生器、空氣預(yù)熱器、化學(xué)反應(yīng)器等方面的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上探討了熱管技術(shù)最新的發(fā)展方向，認(rèn)為高溫?zé)峁芎臀⑿蜔峁芗夹g(shù)發(fā)展最快，數(shù)值模擬技術(shù)將在熱管研究中發(fā)揮重要作用。

2 納米流體技術(shù)進(jìn)展

納米流體作為一種新型傳熱冷卻工質(zhì)，于1995年由美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員Choi[6]提出，即以一定的方式和比例在傳統(tǒng)液體 （如水、醇和油）中添加納米級(jí)金屬或非金屬氧化物粒子，形成一類新的分布均勻、性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱性高的傳熱冷卻工質(zhì)。在液體中添加納米粒子可以顯著增加液體的熱導(dǎo)率，提高熱交換系統(tǒng)的傳熱性能。

1998年，Eastman[7]在水中添加1%體積分?jǐn)?shù)的氧化銅納米粒子，相同流動(dòng)狀態(tài)下可提高對(duì)流換熱系數(shù)20%以上。1999年，Lee[8]以大約4%的體積分?jǐn)?shù)在乙二醇中添加氧化銅納米粒子,形成的納米流體熱導(dǎo)率比乙二醇提高20%以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米粉體懸浮液的導(dǎo)熱系數(shù)較不添加納米粉體的液體有顯著提高。同時(shí),由于納米粉體的小尺寸效應(yīng),其行為接近于液體分子,不會(huì)產(chǎn)生磨損或堵塞管路等不良結(jié)果。2003年，李強(qiáng)[9]等運(yùn)用瞬態(tài)熱線法測(cè)定了不同種類、不同體積分?jǐn)?shù)配比的納米流體的熱導(dǎo)率,分析了納米粒子屬性、尺度和添加的體積分?jǐn)?shù)等因素對(duì)納米流體熱導(dǎo)率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在液體中添加納米粒子顯著增加了液體的熱導(dǎo)率。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，還提出了計(jì)算納米流體熱導(dǎo)率的關(guān)聯(lián)式。2005年，李芃[10]等測(cè)定了不同體積分?jǐn)?shù)、不同溫度下水-氧化銅納米流體的熱導(dǎo)率，指出體積分?jǐn)?shù)、溫度對(duì)納米流體熱導(dǎo)率具有一定的影響，溫度對(duì)納米流體熱導(dǎo)率影響的顯著程度與納米粒子體積分?jǐn)?shù)有密切關(guān)系。2008年，顧雪婷[11]等綜述了目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于納米流體強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究情況，分析了納米流體的強(qiáng)化傳熱機(jī)理及添加納米粒子后對(duì)液體的物性參數(shù)——黏度、比熱容、密度、流體流速的影響，并分析了石墨-水納米流體和Fe3O4-水納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流換熱系數(shù)測(cè)量的原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明納米流體強(qiáng)化了傳熱。

3 納米流體應(yīng)用于熱管的研究進(jìn)展

隨著納米材料科學(xué)的迅速發(fā)展，自1990年代以來(lái)，研究人員開(kāi)始探索將納米材料技術(shù)應(yīng)用于強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域，研究新一代高效傳熱冷卻技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外已研究的應(yīng)用納米流體的熱管有吸液芯熱管、熱虹吸熱管和脈動(dòng)熱管等，吸液芯結(jié)構(gòu)的熱管有槽道吸液芯熱管、絲網(wǎng)吸液芯熱管和燒結(jié)金屬吸液芯熱管等，共有30余篇論文發(fā)表，基本上以試驗(yàn)研究為主。這些試驗(yàn)研究多以Ag/H2O、CuO/H2O、Al2O3/H2O、SiO2/H2O、TiO2/H2O等納米流體為工質(zhì)，試驗(yàn)管為銅管，研究不同運(yùn)行壓力、不同納米流體濃度或不同加熱功率下納米流體熱管的傳熱性能。

2009年，趙蔚琳[12]等綜述了國(guó)內(nèi)外基于納米流體熱管的研究狀況，對(duì)其未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望，并指出目前納米流體熱管研究的局限性。2010年，劉振華[13]等對(duì)近年來(lái)納米流體在熱管中的應(yīng)用研究作了回顧和總結(jié)，并介紹了目前研究者應(yīng)用納米流體作為各類小型熱管工質(zhì)以提高熱管換熱性能的試驗(yàn)工作以及試驗(yàn)結(jié)果，討論了納米流體強(qiáng)化各類熱管換熱性能的機(jī)理和存在的問(wèn)題，展望了納米流體應(yīng)用于熱管的研究方向和可能的實(shí)用前景。

納米流體應(yīng)用于熱管的研究還處于起步階段，仍需要進(jìn)一步開(kāi)展基礎(chǔ)研究和實(shí)驗(yàn)研究，有必要對(duì)不同種類的熱管尋找不同種類的納米流體工質(zhì)，確定相應(yīng)的最佳納米流體及其納米顆粒的最佳尺寸、最佳體積分?jǐn)?shù)、最佳充液率，使熱管的換熱強(qiáng)化效果達(dá)到最大。同時(shí)探究在納米流體中添加擴(kuò)散劑或穩(wěn)定劑對(duì)納米流體熱管換熱性能的影響，開(kāi)發(fā)新型納米流體如添加納米液滴的液-液型納米流體和不產(chǎn)生沉淀層的可溶性固-液納米流體等，都將成為未來(lái)研究的方向[13]。

4 結(jié)束語(yǔ)

納米流體應(yīng)用于熱管可以明顯降低熱阻，強(qiáng)化傳熱性能，增大最大功率。從目前的研究情況來(lái)看，需要從熱管的使用壽命、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等技術(shù)問(wèn)題開(kāi)展進(jìn)一步的工作，有必要對(duì)納米流體熱管及其傳熱機(jī)理和傳熱性能進(jìn)行深入研究與完善。

[1] 范春利，曲偉，孫豐瑞，等．微小型熱管的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展 [J]．電子器件，2004，27(1)：211-216．

[2] 范春利，曲偉，楊立，等．電子器件冷卻用微型熱管的蒸發(fā)傳熱分析 [J] ．電子器件，2003，26(3)：260-263．

[3] 張麗春，馬同澤，張正芳，等．微槽平板熱管傳熱性能的實(shí)驗(yàn)研究 [J]．工程熱物理學(xué)報(bào)，2003，24(3)：493-495．

[4] 逄燕.熱管技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展 [J].節(jié)能，2010（8）：8-10.

[5] 尚鐘聲,丁運(yùn)玲.熱管技術(shù)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用 [J].管道技術(shù)及設(shè)備，2010（1）：37-42.

[6] Chio U S,Eastman J A.Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles developments and applications of non-Newtonian flows[J].New York：SAME,1995,23(1)：99-105.

[7] Eastman J A,Choi U S,Li S.Development of energyefficient nanofluids for heat transfer applications[R].Report of Argonne National Laboratory,1998.

[8] Lee S,Choi U S,Li S.Measuring thermal conductivity of fluids containing oxide nanoparticles[J].J Heat Transfer,1999(121)：280-289.

[9] 李強(qiáng)，宣益民.納米流體熱導(dǎo)率的測(cè)量 [J].化工學(xué)報(bào)，2003，54 （1）： 42-46.

[10] 李芃，仇中柱.納米流體熱導(dǎo)率的測(cè)量與評(píng)價(jià) [J].節(jié)能，2005 （4）： 13-16.

[11] 顧雪婷，李茂德.納米流體強(qiáng)化傳熱研究分析 [J].能源研究與利用，2008(1)：22-26.

[12] 趙蔚琳，劉宗明，李金凱，等.基于納米流體熱管的研究綜述 [J].化工機(jī)械，2009,36（2）：83-88.

[13] 劉振華，李元陽(yáng).納米流體在熱管中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].中國(guó)科技論文在線，2010，5(10)：825-830.