張羽翔 董華東 戚俊清

（鄭州輕工業(yè)學院)

0 引言

熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實現(xiàn)傳熱的高效傳熱元件。它具有較大的傳熱能力、較強的等溫性、熱流方向可逆等獨特的優(yōu)點，目前在傳熱技術(shù)領(lǐng)域引起人們越來越大的重視。近年來，不少學者利用納米流體的特殊性能強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用研究已逐步展開，這種全新技術(shù)將有廣闊的應用前景。目前國內(nèi)外對納米流體應用于熱管的研究基本以試驗研究為主。本文對納米流體應用于熱管的前景進行了分析，以期為進一步的理論和實驗研究奠定基礎(chǔ)。

1 熱管技術(shù)進展

熱管作為一種高導熱性能的傳熱裝置，自20世紀60年代在美國誕生以來，其應用范圍日益擴大，現(xiàn)在已廣泛應用于航天工業(yè)、動力工程、能量工程、醫(yī)學及化學工程等領(lǐng)域。近年來熱管開始向微型化發(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、太陽能熱水器、太陽能電站和核電工程等方面的應用。

2010年，逄燕[4]對熱管技術(shù)的應用及發(fā)展情況進行了較全面的綜述，重點論述國內(nèi)外熱管技術(shù)在凍土病害防治、太陽能采暖、工業(yè)、電力電子、糧食果蔬儲藏等領(lǐng)域的應用情況，并指出目前該技術(shù)發(fā)展存在的問題。2010年，尚鐘聲[5]等對熱管技術(shù)在化工領(lǐng)域的應用進行了綜述，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、空氣預熱器、化學反應器等方面的應用。在此基礎(chǔ)上探討了熱管技術(shù)最新的發(fā)展方向，認為高溫熱管和微型熱管技術(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)進展

納米流體作為一種新型傳熱冷卻工質(zhì)，于1995年由美國國家實驗室研究員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%體積分數(shù)的氧化銅納米粒子，相同流動狀態(tài)下可提高對流換熱系數(shù)20%以上。1999年，Lee[8]以大約4%的體積分數(shù)在乙二醇中添加氧化銅納米粒子,形成的納米流體熱導率比乙二醇提高20%以上。實驗結(jié)果表明，納米粉體懸浮液的導熱系數(shù)較不添加納米粉體的液體有顯著提高。同時,由于納米粉體的小尺寸效應,其行為接近于液體分子,不會產(chǎn)生磨損或堵塞管路等不良結(jié)果。2003年，李強[9]等運用瞬態(tài)熱線法測定了不同種類、不同體積分數(shù)配比的納米流體的熱導率,分析了納米粒子屬性、尺度和添加的體積分數(shù)等因素對納米流體熱導率的影響。實驗結(jié)果表明,在液體中添加納米粒子顯著增加了液體的熱導率。通過對實驗結(jié)果進行分析，還提出了計算納米流體熱導率的關(guān)聯(lián)式。2005年，李芃[10]等測定了不同體積分數(shù)、不同溫度下水-氧化銅納米流體的熱導率，指出體積分數(shù)、溫度對納米流體熱導率具有一定的影響，溫度對納米流體熱導率影響的顯著程度與納米粒子體積分數(shù)有密切關(guān)系。2008年，顧雪婷[11]等綜述了目前國內(nèi)外對于納米流體強化傳熱技術(shù)的研究情況，分析了納米流體的強化傳熱機理及添加納米粒子后對液體的物性參數(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-水納米流體的導熱系數(shù)、對流換熱系數(shù)測量的原理和實驗結(jié)果，實驗結(jié)果表明納米流體強化了傳熱。

3 納米流體應用于熱管的研究進展

隨著納米材料科學的迅速發(fā)展，自1990年代以來，研究人員開始探索將納米材料技術(shù)應用于強化傳熱領(lǐng)域，研究新一代高效傳熱冷卻技術(shù)。目前國內(nèi)外已研究的應用納米流體的熱管有吸液芯熱管、熱虹吸熱管和脈動熱管等，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，基本上以試驗研究為主。這些試驗研究多以Ag/H2O、CuO/H2O、Al2O3/H2O、SiO2/H2O、TiO2/H2O等納米流體為工質(zhì)，試驗管為銅管，研究不同運行壓力、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]等綜述了國內(nèi)外基于納米流體熱管的研究狀況，對其未來的發(fā)展進行了展望，并指出目前納米流體熱管研究的局限性。2010年，劉振華[13]等對近年來納米流體在熱管中的應用研究作了回顧和總結(jié)，并介紹了目前研究者應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工作以及試驗結(jié)果，討論了納米流體強化各類熱管換熱性能的機理和存在的問題，展望了納米流體應用于熱管的研究方向和可能的實用前景。

納米流體應用于熱管的研究還處于起步階段，仍需要進一步開展基礎(chǔ)研究和實驗研究，有必要對不同種類的熱管尋找不同種類的納米流體工質(zhì)，確定相應的最佳納米流體及其納米顆粒的最佳尺寸、最佳體積分數(shù)、最佳充液率，使熱管的換熱強化效果達到最大。同時探究在納米流體中添加擴散劑或穩(wěn)定劑對納米流體熱管換熱性能的影響，開發(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，都將成為未來研究的方向[13]。

4 結(jié)束語

納米流體應用于熱管可以明顯降低熱阻，強化傳熱性能，增大最大功率。從目前的研究情況來看，需要從熱管的使用壽命、可靠性和經(jīng)濟性等技術(shù)問題開展進一步的工作，有必要對納米流體熱管及其傳熱機理和傳熱性能進行深入研究與完善。

[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驗研究 [J]．工程熱物理學報，2003，24(3)：493-495．

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

[5] 尚鐘聲,丁運玲.熱管技術(shù)在化工領(lǐng)域的應用 [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，宣益民.納米流體熱導率的測量 [J].化工學報，2003，54 （1）： 42-46.

[10] 李芃，仇中柱.納米流體熱導率的測量與評價 [J].節(jié)能，2005 （4）： 13-16.

[11] 顧雪婷，李茂德.納米流體強化傳熱研究分析 [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].化工機械，2009,36（2）：83-88.

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