纳米流体应用于热管的前景

张羽翔 董华东 戚俊清

（郑州轻工业学院)

0 引言

热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的高效传热元件。它具有较大的传热能力、较强的等温性、热流方向可逆等独特的优点，目前在传热技术领域引起人们越来越大的重视。近年来，不少学者利用纳米流体的特殊性能强化热管相变换热能力，初步研究取得了良好的效果。纳米流体在工程中的应用研究已逐步展开，这种全新技术将有广阔的应用前景。目前国内外对纳米流体应用于热管的研究基本以试验研究为主。本文对纳米流体应用于热管的前景进行了分析，以期为进一步的理论和实验研究奠定基础。

1 热管技术进展

热管作为一种高导热性能的传热装置，自20世纪60年代在美国诞生以来，其应用范围日益扩大，现在已广泛应用于航天工业、动力工程、能量工程、医学及化学工程等领域。近年来热管开始向微型化发展。微型热管是伴随着微电子技术的发展而兴起的，在各种微小空间散热方面有着广阔的应用前景[1-3]，如在医疗手术、电子装置芯片、笔记本电脑CPU的冷却、电路控制板的冷却、太阳能热水器、太阳能电站和核电工程等方面的应用。

2010年，逄燕[4]对热管技术的应用及发展情况进行了较全面的综述，重点论述国内外热管技术在冻土病害防治、太阳能采暖、工业、电力电子、粮食果蔬储藏等领域的应用情况，并指出目前该技术发展存在的问题。2010年，尚钟声[5]等对热管技术在化工领域的应用进行了综述，主要介绍了热管技术在炉内余热回收器、蒸汽发生器、空气预热器、化学反应器等方面的应用。在此基础上探讨了热管技术最新的发展方向，认为高温热管和微型热管技术发展最快，数值模拟技术将在热管研究中发挥重要作用。

2 纳米流体技术进展

纳米流体作为一种新型传热冷却工质，于1995年由美国国家实验室研究员Choi[6]提出，即以一定的方式和比例在传统液体 （如水、醇和油）中添加纳米级金属或非金属氧化物粒子，形成一类新的分布均匀、性能稳定、导热性高的传热冷却工质。在液体中添加纳米粒子可以显著增加液体的热导率，提高热交换系统的传热性能。

1998年，Eastman[7]在水中添加1%体积分数的氧化铜纳米粒子，相同流动状态下可提高对流换热系数20%以上。1999年，Lee[8]以大约4%的体积分数在乙二醇中添加氧化铜纳米粒子,形成的纳米流体热导率比乙二醇提高20%以上。实验结果表明，纳米粉体悬浮液的导热系数较不添加纳米粉体的液体有显著提高。同时,由于纳米粉体的小尺寸效应,其行为接近于液体分子,不会产生磨损或堵塞管路等不良结果。2003年，李强[9]等运用瞬态热线法测定了不同种类、不同体积分数配比的纳米流体的热导率,分析了纳米粒子属性、尺度和添加的体积分数等因素对纳米流体热导率的影响。实验结果表明,在液体中添加纳米粒子显著增加了液体的热导率。通过对实验结果进行分析，还提出了计算纳米流体热导率的关联式。2005年，李芃[10]等测定了不同体积分数、不同温度下水-氧化铜纳米流体的热导率，指出体积分数、温度对纳米流体热导率具有一定的影响，温度对纳米流体热导率影响的显著程度与纳米粒子体积分数有密切关系。2008年，顾雪婷[11]等综述了目前国内外对于纳米流体强化传热技术的研究情况，分析了纳米流体的强化传热机理及添加纳米粒子后对液体的物性参数——黏度、比热容、密度、流体流速的影响，并分析了石墨-水纳米流体和Fe3O4-水纳米流体的导热系数、对流换热系数测量的原理和实验结果，实验结果表明纳米流体强化了传热。

3 纳米流体应用于热管的研究进展

随着纳米材料科学的迅速发展，自1990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。目前国内外已研究的应用纳米流体的热管有吸液芯热管、热虹吸热管和脉动热管等，吸液芯结构的热管有槽道吸液芯热管、丝网吸液芯热管和烧结金属吸液芯热管等，共有30余篇论文发表，基本上以试验研究为主。这些试验研究多以Ag/H2O、CuO/H2O、Al2O3/H2O、SiO2/H2O、TiO2/H2O等纳米流体为工质，试验管为铜管，研究不同运行压力、不同纳米流体浓度或不同加热功率下纳米流体热管的传热性能。

2009年，赵蔚琳[12]等综述了国内外基于纳米流体热管的研究状况，对其未来的发展进行了展望，并指出目前纳米流体热管研究的局限性。2010年，刘振华[13]等对近年来纳米流体在热管中的应用研究作了回顾和总结，并介绍了目前研究者应用纳米流体作为各类小型热管工质以提高热管换热性能的试验工作以及试验结果，讨论了纳米流体强化各类热管换热性能的机理和存在的问题，展望了纳米流体应用于热管的研究方向和可能的实用前景。

纳米流体应用于热管的研究还处于起步阶段，仍需要进一步开展基础研究和实验研究，有必要对不同种类的热管寻找不同种类的纳米流体工质，确定相应的最佳纳米流体及其纳米颗粒的最佳尺寸、最佳体积分数、最佳充液率，使热管的换热强化效果达到最大。同时探究在纳米流体中添加扩散剂或稳定剂对纳米流体热管换热性能的影响，开发新型纳米流体如添加纳米液滴的液-液型纳米流体和不产生沉淀层的可溶性固-液纳米流体等，都将成为未来研究的方向[13]。

4 结束语

纳米流体应用于热管可以明显降低热阻，强化传热性能，增大最大功率。从目前的研究情况来看，需要从热管的使用寿命、可靠性和经济性等技术问题开展进一步的工作，有必要对纳米流体热管及其传热机理和传热性能进行深入研究与完善。

[1] 范春利，曲伟，孙丰瑞，等．微小型热管的研究现状与进展 [J]．电子器件，2004，27(1)：211-216．

[2] 范春利，曲伟，杨立，等．电子器件冷却用微型热管的蒸发传热分析 [J] ．电子器件，2003，26(3)：260-263．

[3] 张丽春，马同泽，张正芳，等．微槽平板热管传热性能的实验研究 [J]．工程热物理学报，2003，24(3)：493-495．

[4] 逄燕.热管技术的应用及发展 [J].节能，2010（8）：8-10.

[5] 尚钟声,丁运玲.热管技术在化工领域的应用 [J].管道技术及设备，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] 李强，宣益民.纳米流体热导率的测量 [J].化工学报，2003，54 （1）： 42-46.

[10] 李芃，仇中柱.纳米流体热导率的测量与评价 [J].节能，2005 （4）： 13-16.

[11] 顾雪婷，李茂德.纳米流体强化传热研究分析 [J].能源研究与利用，2008(1)：22-26.

[12] 赵蔚琳，刘宗明，李金凯，等.基于纳米流体热管的研究综述 [J].化工机械，2009,36（2）：83-88.

[13] 刘振华，李元阳.纳米流体在热管中的应用研究进展[J].中国科技论文在线，2010，5(10)：825-830.