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什么是纳米流体?
2020年08月24日 发布 分类:粉体入门 点击量:502
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自从“纳米”的概念被提出后,发展纳米科技相继成为了各国的重点发展战略。而对于纳米材料和纳米技术系统来说,它们可以以多种形式存在,比如说在1995年时,由美国学者Choi等提出的“纳米流体”就是其中一种。

纳米流体

纳米流体是什么?

纳米流体是一种包含纳米颗粒的胶体悬浮液的流体系统,一般多用于在热能工程替代传统的换热工质(如水、油、醇等)。它之所以能异军突起,主要是因为随着科技的发展,传统的换热工质已不能满足高传热强度和微通道散热等特殊环境下的传热与冷却需求(如高温超导体的冷却、强激光镜冷却、大功率电子元件散热等),因此纳米流体这种新型换热工质逐渐得到重视。

纳米流体最出众的地方就是它的导热性能。众所皆知,常温下固体材料的导热系数要比流体大两个数量级,因此在流体中加入固体颗粒会提高导热系数。一般而言,悬浮的纳米粒子主要包括金属(如Cu,Al,Ag,Au,Fe等)、氧化物(如Al2O3,CuO,SiO2,TiO2等)以及纳米碳管、石墨烯等,基液的种类有水、乙二醇、油、甲苯、丙三醇、乙醇、氨水、R134a、R11、全氟三乙胺等。

但要注意的是,如果悬浮液内的颗粒容易团聚、沉降,无法形成长期稳定的悬浮液系统,那在工业上是难以得到应用的。因此为了提高纳米粒子的悬浮性能,还需要加入分散剂改变纳米粒子与周围基液、纳米粒子与纳米粒子之间的相互作用,达到较好的悬浮粒子分散效果。常用的分散剂主要有脂肪酸、PEO硫醇、山梨酸油等阳离子表面活性剂和烷基苯磺酸盐、月桂酸钠、牛磺酸盐、磷酸盐等阴离子表面活性剂。

纳米流体

纳米流体各部分研究内容

纳米流体的应用

纳米流体作为一种高效、高传热性能的能量输运工质,在强化传热领域具有十分广阔的应用前景。其中比较关键的有以下几种:

1、航天器热控制

泵驱动液体回路系统承担着将航天器舱内热负荷通过中间换热器传递至外循环回路最终散热于外太空环境。目前,液体回路系统采用的传热工质是一种冰点低、比热大、黏度小、无毒的化合物,具有适合在航天器中使用的独特优点,但它的导热系数极低,仅是相同温度下水的导热系数的22%,很难满足航天器不断增长的高强度、高负荷传热的要求。

若采用纳米流体的两步制备方法,将Cu纳米粒子(平均粒径26 nm)与航天用液体工质按一定比例共混,就能有效提高航天器液体回路工质的导热系数和对流换热性能。例如说2.5%粒子体积份额的纳米流体导热系数比纯工质提高了45%;2.0%粒子体积份额的纳米流体对流换热系数提高了27.5%,而且纳米流体的阻力几乎没有增加。

纳米流体

2、电子散热

随着电子器件与设备的功率和散热热流密度越来越大,液冷技术将应用于电子冷却领域(如射流及喷雾冷却、液冷环路、热管等),如果采用纳米流体作为液冷系统的冷却工质,将可望提高液冷系统的冷却能力。

曾有研究人员将高传热性能的Cu-水纳米流体作为换热工质引入射流技术,测试了不同纳米粒子体积份额的Cu-水纳米流体(平均粒径25 nm)射流冲击传热特性。结果表明,在水射流介质中添加纳米粒子,可大大增强射流系统的散热冷却能力。例如,3.0%粒子体积份额的纳米流体射流换热系数比水提高了52%。

3、发动机冷却

Kulkarni等人在50%浓度的乙二醇水溶液里掺加Al2O3纳米粒子,作为柴油发电机夹套的冷却工质,明显提高了冷却效果。Al2O3纳米粒子体积浓度6%的纳米流体可以将对应于乙二醇水溶液的78.1%换热效率提高到81.1%。而Tzeng等人分别将CuO和Al2O3纳米粒子掺加到冷却机油中,以提高四轮驱动汽车动力传递系统的冷却效率,避免过高的热应力产生,最终也取得了良好的效果。

纳米流体 

4、核能系统

由于纳米流体比基液具有导热系数高、传热能力强的优点,用纳米流体取代传统的核能系统冷却剂,将有望提高冷却剂与堆芯能量传递效率,降低冷却剂流量,减小反应堆尺寸,对于提高核能系统的安全性与经济性有重要意义。

为此,麻省理工学院(MIT)建立了一个多学科交叉的纳米流体应用于核能系统的研究中心,以评估纳米流体对核能系统安全性与经济性的影响. 研究表明,与水相比,添加 0.01%~0.1%体积比的Al,Zn和Diamond形成的纳米流体可强化临界热流密度40%~50%,同时Al-水纳米流体的稳定性实验表明,纳米粒子可在伽马辐射下稳定悬浮。

5、制冷系统

纳米流体也可应用于各类传质过程的强化,如提高溴化锂水溶液、氨水吸收式制冷系统中的吸收效率。Kim等人分别将Cu、CuO和Al2O3纳米颗粒加入到氨水中,实验观测氨水对通过一孔板释放出的氨气泡的吸收过程,发现所有的纳米粒子都能强化氨气泡在氨水中的吸收过程,其中Cu纳米粒子的强化效果最为明显

资料来源:

纳米流体能量传递理论与应用,宣益民。

粉体圈 NANA整理

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