谢思雨（上海电力大学）

热交换系统在工业生产和新能源领域（太阳能热利用、中央空调等）普遍应用。然而随着工业的飞速发展，能源问题也日益突出，热交换系统的传热负荷以及传热强度日益增大，传统的纯液体换热工质已很难满足一些特殊条件下的传热与冷却要求。

传统的导热流体导热系数较低，在不断深入研究强化传热技术的同时，成为了约束高效传热技术发展的主要障碍，特别是在能源化工领域。因此，研究开发并制备导热系数高的、换热性能好的高效传的热流体成为了传热技术研究的重点。固体的导热系数远比液体的导热系数要大的多，因此一般认为含有悬浮颗粒的悬浮液体与基液相比，应该会具有更高的导热系数。对此专家学者们进行了大量的、关于在液体介质中添加固体颗粒以增加其导热系数的实验研究，收获颇丰。然而，大多数对于能强化传热的悬浮液体的有关研究都被限制于毫米级或是微米级的固体颗粒，由于含有较大的颗粒，悬浮液体容易沉降并且缺乏稳定性，因此在实际应用过程中容易产生堵塞、磨损等现象，从而导致悬浮流体在实际的工业生产中的应用受到了极大的限制。

  

图1常见的热交换系统-车用热交换系统和太阳能热交换系统^[1]

 

1．纳米流体概述

近年来，纳米材料及其相关的技术的快速发展，为固体颗粒在流体中的强化传热效率带来了新的发展契机。美国Argonne国家实验室的Choi等^[2]在1995年第一次提出了纳米流体这个概念：把纳米级的金属或非金属粉体或颗粒分散到水、油、醇等液体介质中，制备成稳定、均匀的新型介质体系。

如图2所示，水基纳米流体是以水作为流体的基础液体，再以一定的方式和比例在水中添加纳米级金属或金属氧化物粒子，形成的水—纳米传热工质。纳米颗粒的粒子尺寸在1 nm 到100 nm之间，可以是金属（如Cu、Fe、Au、Ag 或Al等）、金属氧化物（如Al2O3、CuO、ZnO、 TiO2、Fe2O3、SiC、WS2或MoS2等）以及不同形态的碳（如碳纳米管，富勒烯，石墨烯）和纳米液滴。基础液体通常是水、植物油、有机液体、聚合物溶液等。一般我们还需要在纳米流体中加入一定量的分散剂等，如用于提高纳米流体稳定性的表面活性剂（十二烷基硫酸钠，十六烷基三甲基溴化铵，聚乙烯吡咯烷酮等）、抗磨添加剂（如磷的化合物，硼酸盐和硼酸酯等）、缓蚀剂（如琉基苯并噻唑、苯并三唑、磺化木质素等）、杀菌剂等。

图2 纳米流体的制备

 

1. 纳米流体特性

纳米流体的概念一经提出就吸引了许多研究人员的关注，相继开展了一系列相关实验和理论研究。纳米流体具有较高的导热和传热性能，研究显示，与纳米颗粒混合后的纳米流体悬浮液其热交换效率一般比基础液体提高16-60%。例如：在车用热交换器中使用体积分数为5%的Al2O3纳米流体时，传热系数分别比水、乙二醇和基础液体提高6. 52 %、18. 88 %和24. 62 %；在家用冰箱制冷剂中加入TiO2纳米颗粒制备出纳米流体，与无纳米颗粒的制冷剂相比，冰箱的能耗降低了9.60％左右。另外，如果在同一种冷却系统中要使热交换量变为原来的两倍，那么就需要将泵的功率变为原来功率的12倍，但是如果是在使用导热系数较高的纳米流体的情况下，泵的功率与原来的相比可以降低一个数量级，从而使得能耗降低，提升经济效益。

对纳米流体增强传热导热机理的解释主要有以下几方面：粒子布朗运动与微对流、纳米颗粒团聚和逾渗结构、纳米颗粒和液体间的液体层、弹道输运和非局部效应、热泳、近场辐射^[3-5]。同时有学者提出了基于以上一种或几种机理混合的纳米流体导热模型。

此外，纳米流体除了具有较好的传热、导热性能，纳米流体还具有强化传质的作用。与单纯的液体相比，纳米颗粒可以提高溶液中物质的扩散系数，并在合适条件下可以使得O2的扩散系数显著增加。

 

3．纳米流体中金属的腐蚀

目前大多数有关纳米流体的研究主要集中在纳米流体的制备及其对传热性能的影响，近些年来一些学者开始关注到了纳米流体应用对金属可能产生的“副作用”：纳米流体会影响金属的腐蚀情况。现阶段大多数的研究主要以去离子水作为基液，并且当加入的纳米颗粒的种类、粒径、比例不同时，纳米流体中金属的腐蚀情况不同，纳米颗粒的存在可能促进纳米流体中金属的腐蚀，也可能保护纳米流体中的金属抑制其腐蚀。

3.1促进金属腐蚀

在一些研究中发现，纳米流体中纳米颗粒的存在促进了金属的腐蚀：

（1）纳米颗粒会增强金属的磨损腐蚀

虽然纳米颗粒具有非常低的动量，但纳米流体作为一种液固悬浊液，对金属的磨损腐蚀不可避免。目前有学者研究了以蒸馏水为基液的不同纳米流体（分别含TiO2、Al2O3、ZrO2和SiC）对铝、铜、不锈钢磨损腐蚀的影响，发现金属材料和纳米颗粒的特性以及表面活性剂存在是金属磨损腐蚀的主要影响因素；纳米流体对不锈钢表面产生的磨损腐蚀可以忽略不计；而铜在TiO2纳米流体中的磨损腐蚀情况也比较轻微，但在ZrO2纳米流体中磨损腐蚀程度大；铝在SiC纳米流体中的磨损腐蚀可忽略不计，在TiO2纳米流体中有少量损耗，在ZrO2和Al2O3纳米流体中的磨损腐蚀情况严重^[6]；也有研究发现碳钢在纳米流体中的纯腐蚀速率小于在不含固体颗粒的基液中，纯磨损速率比基液略高；而碳钢在纳米流体中的磨损腐蚀速率比在不含固体颗粒的基液中高得多。下图为纳米流体中PTFE齿轮的磨损腐蚀实验图。

图3 纳米流体对PTFE齿轮的磨损腐蚀；左中右分别为新齿轮、TiO2纳米流体中的齿轮、Al2O3纳米流体中的齿轮^[6]

（2）纳米颗粒会促进溶液中氧的传质过程

   在大多数腐蚀体系中，氧气分子是腐蚀的去极化剂，氧气分子的存在会促进溶液中金属的腐蚀。纳米颗粒由于颗粒布朗运动而不断在气液传质界面运动，如下图所示，运动过程中单个颗粒会引起其周围局部流体的扰动，即纳米颗粒以速度v向前运动过程中，颗粒自身具有吸附性时会携带待传质微元往返于气液传质界面，增强了溶液中氧气分子的传质过程^[7]，增加了纳米流体中金属腐蚀的可能性。

图4 单个纳米颗粒运动过程对周围流体影响^[7]

 

3.2抑制金属腐蚀

溶液中纳米颗粒的存在可以抑制金属的腐蚀，主要原因在于以下几个方面：

（1）在金属表面形成保护膜

纳米颗粒在金属表面吸附成为一层保护膜，这层保护膜可以减小金属的腐蚀速率，保护溶液的金属抑制其腐蚀。研究人员发现在含十二烷基硫酸钠的纳米流体中，铜的表面会形成一层碳纳米管保护膜，保护膜的存在从一定程度上抑制了纳米流体中铜的腐蚀。并且研究发现即使是在流动的纳米流体中，铜的腐蚀速率依旧不变，这表明了碳纳米管在铜表面形成的保护膜能有效地控制着纳碳纳米管，米流体中铜的腐蚀过程^[8]。

（2）阻碍金属表面氧气分子的扩散

如图5所示，纳米颗粒因具有小尺寸和高的比表面积，在某些情况下纳米颗粒可以进入扩散层，并代替氧气分子沉积在金属表面，影响了氧的传质过程。在扩散层中，氧气分子与纳米颗粒互相碰撞，提高了氧的扩散阻力，降低了氧的扩散速度，从而使得这些纳米流体中金属的耗氧腐蚀速率降低，抑制了纳米流体中金属的腐蚀；而在金属的表面，纳米颗粒由于其高的比表面积，比氧气分子更容易吸附在金属的表面，代替了金属表面的部分氧气分子，从而降低了氧气分子与金属基体的接触表面积，抑制了纳米流体中金属的腐蚀。

图5 纳米颗粒以及氧气分子在扩散层中金属表面的分布图^[9]

（3）降低溶液中盐的溶解度

金属在溶液中的腐蚀主要是电化学腐蚀，溶液中的盐可以提供电解质，盐的存在会使电子在溶液中的移动速度加快，起了导电的作用，加速了金属的腐蚀。研究员发现氯化钠在加入了氧化石墨烯纳米片之后的纳米流体中的溶解度比在单独基液中的小^[10]，纳米颗粒的加入加速了氯化钠在金属表面的沉积，使得金属表面形成了一层致密的盐层，隔绝了金属与腐蚀性离子的接触，起到保护纳米流体中金属的作用。

 

4．总结

纳米流体是一种很有前景的传热介质，未来替代传统传热介质应用于各类热交换系统的可能性很大。随着纳米技术的快速发展，越来越多的纳米颗粒可以制备成纳米流体，纳米流体的种类也日益繁多，在研究纳米流体的导热机理的同时我们也要注重纳米流体对金属的腐蚀影响。如何使得纳米流体具有较高的导热系数的同时降低纳米颗粒对金属的腐蚀的影响还需研究者们更深入的研究。

 

参考文献：

[1] http://www.gzweix.com/article/sort0253/sort0487/info-313974_3.html

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[3] Syam Sundar L , Singh M K. Convective heat transfer and friction factor correlations of nanofluid in a tube and with inserts: A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013, 20:23-35.

[4] Mahian O , Kianifar A , Kleinstreuer C , et al. A review of entropy generation in nanofluid flow[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, 65:514-532.

[5] 赵国昌，曹磊，宋丽萍，路天栋. 纳米流体导热机理研究分析. 沈阳航空航天大学学报, 2013, 30(4): 7-11

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[8] Baghalha M , Kamal-Ahmadi M . Copper corrosion in sodium dodecyl sulphate solutions and carbon nanotube nanofluids: A modified Koutecky-Levich equation to model the agitation effect[J]. Corrosion Science, 2011, 53(12):4241-4247.

[9] Rashidi A M , Packnezhad M , Moshrefi-Torbati M , et al. Erosion–corrosion synergism in an alumina/sea water nanofluid[J]. Microfluidics and Nanofluidics, 2014, 17(1):225-232

[10] Chaudhry A U, Mittal V, Mishra B. Effect of graphene oxide nanoplatelets on electrochemical properties of steel substrate in saline media[J]. Materials Chemistry and Physics, 2015,163: 130-137.