纳米流体导热系数影响范文

《热科学与技术杂志》2016年第一期

摘要：

十四烷是工业中最常用的液态烷烃之一，常被用于有机溶剂，有重要的应用价值。相比于纯烷烃，烷烃基纳米流体具有许多优异的性质，特别是导热系数的增强。采用实验与理论模型对比的方法，对一些影响十四烷基纳米流体导热系数的因素进行研究，包括纳米颗粒种类、浓度、温度以及稳定性。结果表明，纳米流体的有效导热系数随纳米颗粒体积分数的增加而增加，随温度的升高而下降；在各种纳米颗粒中，碳纳米管对导热的增强最为显著，且碳纳米管流体具有最好稳定性。

关键词：

十四烷；纳米流体；相变材料；导热系数；稳定性

纳米流体作为一种新型工质广泛应用于电子冷却、吸收式制冷和热泵供热等方面。自Choi［1］于1995年报道了纳米流体的优异传热性能起，相关研究论文的数量不断增长。众多学者进行了纳米流体导热系数增强的实验。Xuan和Li［2］研究了变压器油－铜以及水－铜纳米流体在不同颗粒浓度下导热系数的增强，结果表明纳米流体的导热系数随颗粒浓度的增加而显著增强。Yu等研究了不同纳米流体的导热增强，包括Fe3O4－煤油［3］、铜－乙二醇［4］和铜－石蜡［5］体系，结果表明三种纳米流体导热都有明显增强。Sharma等［7］、Colla等［8］、Murshed等［9］以及Liu等［10］分别报道了银－乙二醇、Fe3O4－水、TiO2－水以及CuO－乙二醇纳米流体导热系数的增强。以上研究均表明纳米流体的导热系数随颗粒浓度的增加而增加。除了大量的实验研究之外，一些学者探讨了纳米流体导热的理论模型。贾涛等［11］在Kumar模型基础上建立了适用于碳纳米管水基纳米流体的导热系数模型，通过实验数据（分散剂为SDS的纳米流体导热系数）进行了确认。

Gupta和Kumar［12］利用蒙特卡洛方法研究了布朗运动对于导热增强的效果，发现相比于单纯的扩散机制，布朗运动能够通过粒子的随机迁移实现导热系数增强约6％。Nie等［13］探讨了几种纳米流体导热增强的机制，却发现布朗运动的作用几乎可以忽略。一些学者探究了温度对纳米流体导热的影响。Wen和Ding［14］考察了不同温度下碳纳米管－水纳米流体导热系数，结果表明：当温度低于30℃时，导热系数随温度升高线性增加；但当温度高于30℃时，导热系数不再随温度上升而增加。Ding等［15］也发现在碳纳米管－水分散体系中，导热系数随温度升高而增加。薛怀生［16］则是对多壁碳纳米管纳米流体的沸腾传热进行了探究。很多学者研究了纳米颗粒浓度对导热增强的影响，但多针对某一种颗粒，且由于不同工作中实验条件不尽相同，难以直接对比不同纳米颗粒导热系数增强的效果。另一方面，不同研究对温度的影响仍然存在争议。

Ding等［15］、Das等［17］以及Chon等［18］认为导热系数的增强程度随温度升高而增加；然而，Witharana等［19］发现TiO2－乙二醇纳米流体的导热增强和温度关系不大。Tesfai等［20］的研究表明Y2O3－乙二醇纳米流体的导热增强随温度升高而增加，但是温度对Cu－乙二醇纳米流体的导热增强没有影响。很多研究关注的是水基或者乙二醇基纳米流体的导热系数，很少关注于油基纳米流体，尤其是烷烃基纳米流体。烷烃相变过程具有可观的潜热，在储能方面有着很高的应用价值，有必要对烷烃基纳米流体的导热系数开展研究。本文研究采用十四烷作为基液，研究Cu、CuO、多壁碳纳米管（MWCNT）以及SiO2四种纳米颗粒的加入对于纳米流体导热的影响。针对铜－十四烷纳米流体，考察了颗粒浓度对导热系数的影响，并将不同颗粒、浓度的实验结果与理论模型结果进行对比；测量了纳米流体在不同温度下的导热系数，以考察温度对导热增强的影响。此外，在此前的一些研究中［4，19，21］，有证据表明纳米流体不稳定时导热性能会发生变化，本文研究针对纳米流体稳定性对导热的影响也进行了探究，常用的改变纳米流体稳定性的方法包括添加分散剂和纳米颗粒表面改性，二者均可通过增大颗粒间的位阻效应提高纳米流体的稳定性，故本研究对表面改性、两种加入不同分散剂以及未处理的纳米流体的导热性能进行了对比分析。

1实验部分

1．1实验材料Cu、CuO、SiO2以及MWCNT粉状纳米颗粒从北京德科岛金纳米技术有限公司购置。Cu纳米颗粒的平均粒径为50nm，CuO粒径为40nm，SiO2粒径为50nm，三种颗粒纯度均大于99．9％，MWCNT直径小于8nm，长度为10～30μm，纯度大于95％。图1以铜纳米颗粒为例给出了电镜照片。十四烷从阿拉丁化学试剂公司购置，纯度为99％（分析纯）。油酸、Span80用作分散剂，从国药化学试剂有限公司购置，油酸的纯度为99％（分析纯），Span80的纯度为97％（化学纯）。采用盐酸多巴胺（PDA）、三羟甲基氨基甲烷、氢氧化钠以及十八硫醇（NDM）进行颗粒表面改性，均购置于阿拉丁化学试剂公司，纯度均为99％。

1．2仪器和设备采用称量瓶以及烧杯制备纳米流体，精度为0．0001g的电子天平（型号ME204，梅特勒－托莱多公司）用来称量纳米颗粒、分散剂、表面改性的化学原料以及十四烷的质量。采用最大功率为500W的超声处理器（型号VCY500，上海研永超声仪器设备公司）分散基液中的纳米颗粒。采用磁力搅拌器（型号C－MAGHS4，IKA仪器公司）和高速离心机（型号TG－16WS，长沙湘仪离心设备有限公司）进行颗粒表面改性。采用真空干燥箱（型号DZF－6050，上海一恒科学仪器有限公司）对颗粒进行干燥。采用热线法（型号TC3010L，西安夏溪仪器设备公司）测量导热系数，精度为2．0％；利用水浴（型号THY－3010B，宁波天能仪器设备公司）控制温度。

1．3实验方法通过两步法制备纳米流体。首先，将十四烷加入称量瓶中，通过电子天平测得其质量。然后称量样品所需体积分数对应质量的纳米颗粒（以及分散剂），并加入基液中，通过超声处理器超声1h进行均质化处理。纳米颗粒的表面改性通过化学方法获得。首先，1．2g纳米铜粉加入120mL、0．01mol／L的三羟甲基氨基甲烷溶液中，对混合液进行20min、250W的超声处理，加入1．2g的PDA，磁力搅拌2h。然后，对分散体系进行离心30min，转速为8000r／min。离心得到的沉淀物通过过滤的方法得到，将这些沉淀物加入120mL、pH＝12的氢氧化钠溶液中，再加入0．8g的NDM，磁力搅拌12h，之后再次高速离心，并过滤分离沉淀物，将得到的沉淀物放入真空干燥箱中，在80℃的环境下干燥24h，即得到表面改性的Cu颗粒。

2结果与讨论

2．1颗粒种类对导热系数的影响本文测量了十四烷基Cu、CuO、SiO2以及MWCNT纳米流体的导热系数，这四种纳米流体中纳米颗粒的体积分数均为0．5％，测试温度均为35℃。结果表明，四种纳米流体导热系数均高于基液。在相同体积分数下，多壁碳纳米管－十四烷纳米流体具有最高的有效导热系数，而氧化铜－十四烷的导热系数最低。尽管二氧化硅粉末的导热系数远低于铜和氧化铜，但其导热系数增强效果与铜和氧化铜相当甚至略好，这可能是由于二氧化硅纳米颗粒相对更加稳定、均质。从理论模型中可以得到，纳米流体的有效导热系数随纳米颗粒的导热系数的增加而增加，然而当颗粒的导热系数相比基液高出很多的时候，纳米流体的导热系数并非同比例增加。另一方面可以看到氧化铜－十四烷纳米流体的导热系数与模型符合最好，而碳纳米管－十四烷导热系数与理论模型结果相差较大。

2．2颗粒体积分数对有效导热系数的影响研究了不同颗体积分数度对铜－十四烷纳米流体的导热系数的影响，铜的体积分数分别为0．05％、0．10％、0．50％以及1．00％。四种纳米流体导热系数均在35℃下测试。实验结果与Maxwell模型值［22］进行了对比。图2显示了不同体积分数下铜－十四烷纳米流体有效导热系数的实验值以及模型的理论预测值。从图2可以看出，在颗粒体积分数为0．05％、0．10％、0．50％时，有效导热系数实验测量值高于模型预测值，而当体积分数为1．00％时，理论预测值高于实验值。

2．3温度对有效导热系数的影响研究了体积分数为0．50％的铜－十四烷纳米流体在不同温度下的有效导热系数，测试温度分别为35、55、75和95℃。图3显示出纯十四烷以及铜－十四烷纳米流体在不同温度下的有效导热系数。

2．4稳定性对导热系数的影响测量了十四烷－铜纳米流体在不同的稳定性下的导热系数。稳定性控制包括添加油酸、Span80作分散剂以及对Cu进行表面改性。经实验测定分散剂及表面改性剂本身对纳米流体导热系数影响可以忽略，通过测量粒径分布得出稳定性排序：无特殊处理＜添加油酸＜添加Span80＜PDA－NDM表面改性。将采用这几种方法处理的纳米流体的有效导热系数与未进行处理的进行对比。表2显示了四种不同稳定性的纳米流体的有效导热系数。从表2中可以看出，有表面改性的纳米流体有最大的导热增强。

3结论

本研究对十四烷基纳米流体的导热系数进行了研究，考虑了颗粒种类、体积分数、温度和稳定性条件的影响，实验结果与理论模型进行了对比。结果表明，在四种材料当中，碳纳米管流体有最高的有效导热系数。对于铜－十四烷纳米流体，有效导热系数随纳米颗粒体积分数增加而增加，实验测量值在体积分数较低（＜1．0％）时高于理论预测值，而在体积分数达到1．0％时高于理论值；纳米流体导热系数随温度上升而下降，且高于纯十四烷的导热系数；对铜－十四烷纳米流体，表面改性后的纳米流体有最好的稳定性，同时也具有最大的导热系数增强效果。

作者：段远源 吴兴辉 龚玮 吴迪 杨震 单位：清华大学 热科学与动力工程教育部重点实验室 二氧化碳资源化利用与减排技术北京市重点实验室