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什么是納米流體?
2020年08月24日 發布 分類:粉體入門 點擊量:304
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自從“納米”的概念被提出后,發展納米科技相繼成為了各國的重點發展戰略。而對于納米材料和納米技術系統來說,它們可以以多種形式存在,比如說在1995年時,由美國學者Choi等提出的“納米流體”就是其中一種。

納米流體是什么?

納米流體是一種包含納米顆粒的膠體懸浮液的流體系統,一般多用于在熱能工程替代傳統的換熱工質(如水、油、醇等)。它之所以能異軍突起,主要是因為隨著科技的發展,傳統的換熱工質已不能滿足高傳熱強度和微通道散熱等特殊環境下的傳熱與冷卻需求(如高溫超導體的冷卻、強激光鏡冷卻、大功率電子元件散熱等),因此納米流體這種新型換熱工質逐漸得到重視。

納米流體最出眾的地方就是它的導熱性能。眾所皆知,常溫下固體材料的導熱系數要比流體大兩個數量級,因此在流體中加入固體顆粒會提高導熱系數。一般而言,懸浮的納米粒子主要包括金屬(如Cu,Al,Ag,Au,Fe等)、氧化物(如Al2O3,CuO,SiO2,TiO2等)以及納米碳管、石墨烯等,基液的種類有水、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,如果懸浮液內的顆粒容易團聚、沉降,無法形成長期穩定的懸浮液系統,那在工業上是難以得到應用的。因此為了提高納米粒子的懸浮性能,還需要加入分散劑改變納米粒子與周圍基液、納米粒子與納米粒子之間的相互作用,達到較好的懸浮粒子分散效果。常用的分散劑主要有脂肪酸、PEO硫醇、山梨酸油等陽離子表面活性劑和烷基苯磺酸鹽、月桂酸鈉、牛磺酸鹽、磷酸鹽等陰離子表面活性劑。

納米流體各部分研究內容

納米流體的應用

納米流體作為一種高效、高傳熱性能的能量輸運工質,在強化傳熱領域具有十分廣闊的應用前景。其中比較關鍵的有以下幾種:

1、航天器熱控制

泵驅動液體回路系統承擔著將航天器艙內熱負荷通過中間換熱器傳遞至外循環回路最終散熱于外太空環境。目前,液體回路系統采用的傳熱工質是一種冰點低、比熱大、黏度小、無毒的化合物,具有適合在航天器中使用的獨特優點,但它的導熱系數極低,僅是相同溫度下水的導熱系數的22%,很難滿足航天器不斷增長的高強度、高負荷傳熱的要求。

若采用納米流體的兩步制備方法,將Cu納米粒子(平均粒徑26 nm)與航天用液體工質按一定比例共混,就能有效提高航天器液體回路工質的導熱系數和對流換熱性能。例如說2.5%粒子體積份額的納米流體導熱系數比純工質提高了45%;2.0%粒子體積份額的納米流體對流換熱系數提高了27.5%,而且納米流體的阻力幾乎沒有增加。

2、電子散熱

隨著電子器件與設備的功率和散熱熱流密度越來越大,液冷技術將應用于電子冷卻領域(如射流及噴霧冷卻、液冷環路、熱管等),如果采用納米流體作為液冷系統的冷卻工質,將可望提高液冷系統的冷卻能力。

曾有研究人員將高傳熱性能的Cu-水納米流體作為換熱工質引入射流技術,測試了不同納米粒子體積份額的Cu-水納米流體(平均粒徑25 nm)射流沖擊傳熱特性。結果表明,在水射流介質中添加納米粒子,可大大增強射流系統的散熱冷卻能力。例如,3.0%粒子體積份額的納米流體射流換熱系數比水提高了52%。

3、發動機冷卻

Kulkarni等人在50%濃度的乙二醇水溶液里摻加Al2O3納米粒子,作為柴油發電機夾套的冷卻工質,明顯提高了冷卻效果。Al2O3納米粒子體積濃度6%的納米流體可以將對應于乙二醇水溶液的78.1%換熱效率提高到81.1%。而Tzeng等人分別將CuO和Al2O3納米粒子摻加到冷卻機油中,以提高四輪驅動汽車動力傳遞系統的冷卻效率,避免過高的熱應力產生,最終也取得了良好的效果。

 

4、核能系統

由于納米流體比基液具有導熱系數高、傳熱能力強的優點,用納米流體取代傳統的核能系統冷卻劑,將有望提高冷卻劑與堆芯能量傳遞效率,降低冷卻劑流量,減小反應堆尺寸,對于提高核能系統的安全性與經濟性有重要意義。

為此,麻省理工學院(MIT)建立了一個多學科交叉的納米流體應用于核能系統的研究中心,以評估納米流體對核能系統安全性與經濟性的影響. 研究表明,與水相比,添加 0.01%~0.1%體積比的Al,Zn和Diamond形成的納米流體可強化臨界熱流密度40%~50%,同時Al-水納米流體的穩定性實驗表明,納米粒子可在伽馬輻射下穩定懸浮。

5、制冷系統

納米流體也可應用于各類傳質過程的強化,如提高溴化鋰水溶液、氨水吸收式制冷系統中的吸收效率。Kim等人分別將Cu、CuO和Al2O3納米顆粒加入到氨水中,實驗觀測氨水對通過一孔板釋放出的氨氣泡的吸收過程,發現所有的納米粒子都能強化氨氣泡在氨水中的吸收過程,其中Cu納米粒子的強化效果最為明顯

資料來源:

納米流體能量傳遞理論與應用,宣益民。

粉體圈 NANA整理

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