白金曼 唐林 王靜 張皖

中公高遠(yuǎn)（北京）汽車(chē)檢測(cè)技術(shù)有限公司 北京 101103

引言

隨著當(dāng)今科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，高質(zhì)量的汽車(chē)已經(jīng)成為生活不可缺少的交通工具。發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車(chē)的動(dòng)力核心裝置，其整體效率直接影響汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。通過(guò)改善發(fā)動(dòng)機(jī)散熱可以有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，然而，單純優(yōu)化冷卻結(jié)構(gòu)已經(jīng)難以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱要求[1-2]。傳統(tǒng)的冷卻劑由水和乙二醇按一定比例組成，這個(gè)組合傳熱效率較低[3]，因此需要開(kāi)發(fā)更高效的冷卻劑。納米流體是含有納米大小（小于100nm）顆粒的流體，具體來(lái)說(shuō)，是由基液中的納米顆粒組成的一種膠體懸浮液。這種納米尺寸的顆粒，由于其本身具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，通常會(huì)增加液體的導(dǎo)熱性能，并提高冷卻劑的傳熱性能。此外，金屬銅也是常用的納米顆粒，在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力條件下，其熱導(dǎo)率大約是水的750倍，是發(fā)動(dòng)機(jī)油的3050倍。因此，綜合來(lái)看，相比于傳統(tǒng)冷卻劑，納米流體具有更高的傳熱力和熱特性，是最具應(yīng)用潛力的高效冷卻劑。

1 納米流體的制備方法

合成的納米流體是一種膠體懸浮液，粒徑在1～100nm之間，分散在基液中。制備納米流體的方法有兩種，一種是一步法，另一種是兩步法[4]。

1.1 一步法

一步法是一種將納米顆粒制備與納米流體合成直接結(jié)合的方法[5]。一步法也分為物理法和化學(xué)法。物理方法包括氣相沉積、激光燒蝕和埋弧?；瘜W(xué)方法是使用化學(xué)反應(yīng)來(lái)制備納米流體。一步法的優(yōu)點(diǎn)是減少了納米顆粒的團(tuán)聚，是更具經(jīng)濟(jì)性的一種方法。

1.1.1 物理方法。

1.1.1.1 氣相沉積：氣相沉積法是Choi開(kāi)發(fā)的一種方法，也是當(dāng)前最常用的方法之一。該方法的過(guò)程，首先是原材料在電阻加熱容器中被加熱和蒸發(fā)；然后，蒸汽在遇到冷基液時(shí)凝結(jié)成納米級(jí)顆粒，從而得到納米流體。

1.1.1.2 激光燒蝕：該方法在液體環(huán)境中，激光脈沖與固體表面作用合成納米顆粒。與其他方法相比，激光燒蝕技術(shù)簡(jiǎn)單且速度快[6]。

1.1.1.3 埋?。篖o[7]等人采用埋弧納米粒子合成系統(tǒng) （SANSS）方法，制備了Cu-H2O納米流體。埋弧法可以有效避免離子的聚集，并且能合成分散均勻和尺寸可控的Cu-H2O納米流體。

1.1.2 化學(xué)方法。化學(xué)方法在控制粒度、減少團(tuán)聚方面具有優(yōu)勢(shì)，并且可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)納米流體[8-9]。Shenoy等報(bào)道了通過(guò)添加聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的一步化學(xué)方法合成氧化銅納米流體。該研究結(jié)果表明，化學(xué)法可將納米流體的穩(wěn)定性提高約9周[10]。

1.2 兩步法

兩步法是制備納米流體最廣泛使用的方法。首先，通過(guò)物理或化學(xué)方法（共沉淀[11]、溶膠-凝膠、溶劑熱方法等），預(yù)先制備納米顆粒。然后，將制備的納米流體經(jīng)過(guò)超聲處理。需要注意的是，超聲處理的時(shí)間、超聲處理的功率都是影響納米流體分散的重要參數(shù)，通過(guò)合理調(diào)控以上參數(shù)可有效制備長(zhǎng)期穩(wěn)定并分散均勻的納米流體。

2 納米流體在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱系統(tǒng)中應(yīng)用的研究現(xiàn)狀

2014年，Sohel等[12]研究了使用Al2O3-H2O納米流體冷卻劑代替純水冷卻電子設(shè)備的微型通道。與純蒸餾水相比，應(yīng)用于微通道散熱器的Al2O3-H2O納米流體在電子冷卻中的傳熱性能更好。

2016年，Chen等[13]制備了TiO2納米流體冷卻劑，不僅研究了納米流體的傳熱性能外，還根據(jù)ASTMD3306標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試了金屬防腐性能。與不含納米顆粒的基礎(chǔ)冷卻劑相比，TiO2納米流體冷卻劑的傳熱性能明顯增強(qiáng)。一方面是因?yàn)榧{米顆粒的存在優(yōu)化了流體的熱物性，提高了導(dǎo)熱性；其次，TiO2納米流體增強(qiáng)了納米顆粒、流體和流動(dòng)通道表面之間的相互作用和碰撞；第三，TiO2納米流體加強(qiáng)了流體的混合波動(dòng)和湍流。當(dāng)TiO2納米顆粒質(zhì)量濃度為1.0%時(shí)，導(dǎo)熱率提高了3%，對(duì)流傳熱提高了10%以上。此外，TiO2納米流體具有良好的金屬腐蝕防護(hù)能力，流體中的TiO2納米顆粒在循環(huán)條件下對(duì)鋁泵無(wú)損傷。

2019年，Sanij等[14]對(duì)含有Al2O3和TiO2納米顆粒的納米流體的穩(wěn)定性和應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，發(fā)現(xiàn)含有氧化物的納米流體具有較好的金屬防腐蝕性。

在汽車(chē)散熱器中，由水和乙二醇組成的基礎(chǔ)冷卻劑，在熱傳輸能力方面存在局限性。2020年，為了突破其局限性，Ashutosh Kumar[15]通過(guò)將納米尺寸的高導(dǎo)熱金屬和金屬氧化物顆粒（氧化鋁、氧化銅和氧化鋅），分散到60%乙二醇和40%水組成的基礎(chǔ)冷卻劑中，從而增強(qiáng)了汽車(chē)散熱器的傳熱能力。Ashutosh Kumar還研究了納米粒子的類(lèi)型、濃度和流速對(duì)傳熱系數(shù)和努塞爾數(shù)的影響。當(dāng)氧化鋁、氧化鋅和氧化銅濃度從0.05%增加到5%時(shí)，傳熱系數(shù)提高了45.8%、96.4%和102.4%。由此可發(fā)現(xiàn)，傳熱系數(shù)隨著納米粒子濃度逐漸增加，當(dāng)所有納米粒子的各個(gè)濃度都增加時(shí)，傳熱系數(shù)和努塞爾數(shù)都隨著雷諾數(shù)線性增加。這些傳熱性能的增強(qiáng)，主要是源于固體納米粒子的高熱導(dǎo)率及其在基礎(chǔ)冷卻劑中的布朗運(yùn)動(dòng)。此外，對(duì)于納米離子的流速，發(fā)現(xiàn)隨著流速的增加，傳熱系數(shù)也顯著增加。

綜合來(lái)看，在最近20年以來(lái)，由于納米流體相較于基礎(chǔ)液體具有更高的導(dǎo)熱系數(shù)，Choi[16]提出了將納米流體作為車(chē)輛冷卻系統(tǒng)的冷卻劑是非常有前景的。而且，眾多研究者（白敏麗、彭小飛、羅逸等）通過(guò)對(duì)納米流體進(jìn)行廣泛研究，也證實(shí)了納米流體的優(yōu)越性。白敏麗[17]將Cu-H2O納米流體作為內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)中的傳熱工質(zhì)，并利用大型通用CFD軟件針對(duì)其冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了整體三維數(shù)值模擬，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn) Cu-H2O納米流體作為冷卻劑可以顯著提高內(nèi)燃機(jī)的散熱性，并且隨著Cu納米粒子濃度的增大，散熱效果也隨之增加；將該納米流體用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，可使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在更優(yōu)化的溫度，使冷卻系統(tǒng)更小、更輕，從而節(jié)省輔助功率消耗和油耗。彭小飛[18]研究了汽車(chē)散熱器中納米流體高溫傳熱的基礎(chǔ)問(wèn)題，分析了納米流體傳熱強(qiáng)化機(jī)制。羅逸等[19]研發(fā)了一種擁有良好防腐性能以及動(dòng)態(tài)傳熱能力的發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)能120納米冷卻液，并對(duì)納米冷卻液進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)及尾氣污染物檢測(cè)，表明這種冷卻液可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫小溫差換熱，還能促進(jìn)燃油分子燃燒，降低油耗以及尾氣中的污染物。

3 納米流體目前面臨的挑戰(zhàn)

目前發(fā)動(dòng)機(jī)納米流體冷卻劑的發(fā)展依賴于納米流體的發(fā)展，納米流體進(jìn)展緩慢的主要問(wèn)題如下：

3.1 長(zhǎng)期穩(wěn)定性

納米流體的不穩(wěn)定性仍然是主要問(wèn)題，納米粒子的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致傳熱速率降低。盡管當(dāng)前還未有研究人員報(bào)道出令人滿意的納米流體的穩(wěn)定的時(shí)間跨度，但研究者們已經(jīng)采取了許多措施來(lái)緩解與納米流體穩(wěn)定性相關(guān)的問(wèn)題，主要是預(yù)防納米粒子沉降、團(tuán)聚，其中包括在納米流體中添加一些酸來(lái)控制pH值，使用表面活性劑和超聲處理等方法。當(dāng)前，用于評(píng)估納米流體穩(wěn)定性的使用最廣泛的技術(shù)是：zeta電位、離心、光譜和沉降分析[20]。

3.2 納米顆粒-水的黏度高

納米顆粒-水的黏度隨著溶液中顆粒濃度的增加而增加。因此，粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能無(wú)限增加[21]。Pantzali等人[22]報(bào)道說(shuō)，在工業(yè)熱交換器中，大量的納米流體通常會(huì)產(chǎn)生湍流，因此用納米流體替代常規(guī)流體似乎是不可靠的。Lee[23]報(bào)告說(shuō)，在實(shí)際系統(tǒng)中，隨著顆粒濃度的增加，黏度迅速增加，所以碳納米管的體積百分比需要限制在0.2%以下。

3.3 比熱容低

從文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)，納米流體的比熱容低于基礎(chǔ)流體。Namburu等人[24]報(bào)道，與基礎(chǔ)流體相比，CuO/乙二醇納米流體、SiO2/乙二醇納米流體和Al2O3/乙二醇納米流體表現(xiàn)出較低的比熱容。理想的冷卻劑應(yīng)具有較高的比熱值，從而使冷卻劑能夠帶走更多的熱量。

3.4 金屬腐蝕

使用納米流體的另一個(gè)挑戰(zhàn)是會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成腐蝕。由于添加了納米顆粒，在一段時(shí)間使用后，會(huì)腐蝕系統(tǒng)從而導(dǎo)致泄漏。針對(duì)此問(wèn)題，可以通過(guò)冷卻劑中添加防腐劑來(lái)緩解[25]。

3.5 高成本

由于納米流體的制備需要使用先進(jìn)和復(fù)雜的設(shè)備，納米流體制備的高成本是限制其在工業(yè)發(fā)展和應(yīng)用的主要因素之一。

4 結(jié)束語(yǔ)

納米流體增強(qiáng)傳熱的確切機(jī)制仍不清楚，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)輛上的實(shí)際應(yīng)用還存在一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)。目前對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)納米流體的研究仍處于起步階段，需要進(jìn)一步發(fā)展,納米流體的穩(wěn)定性及其生產(chǎn)成本是阻礙納米流體商業(yè)化的主要因素。通過(guò)解決這些挑戰(zhàn)，預(yù)計(jì)納米流體將對(duì)汽車(chē)的冷卻劑產(chǎn)生重大影響。