摘 要：采用纳米技术，通过改变传热流体的物性和流动特征以及传热表面的特性，能有效地强化传热。本文综述了纳米流体、纳米胶囊粒子潜热型热流体以及纳米涂层表面在强化传热中应用的研究进展，分析了各种纳米技术的强化传热机理，指出了现有研究工作存在的问题和今后研究的方向。
关键词：纳米流体；纳米胶囊相变粒子；纳米涂层表面；强化传热
随着化石能源的逐渐枯竭，世界各国都面临着能源短缺的严峻问题，如何提高能源的利用效率并开发新能源已受到人们的普遍关注。换热器既广泛应用于化工、石化、动力等传统领域，又应用于太阳能、地热能、核能等新能源利用领域，其传热效率的高低直接影响到能源的利用效率和水平。采用强化传热技术则能有效地提高换热器的传热性能，减少设备体积和传热温差，从而实现节能、节材的目标。
自 20 世纪 70 年代世界石油危机以来，强化传热技术得到了快速发展，先后开发出了许多强化单相、相变传热的元件与高效换热器，如各种强化传热管（包括扩展表面、粗糙表面）及管内插入物[1]和新型板式及板翅式换热器、螺旋隔板换热器[2]等。目前，这些强化传热技术在工业及民用等领域已得到广泛应用[3－4]，并取得了显著的节能、节材经济效益。
随着微电子、燃料电池、激光加工等高新技术领域的发展，对冷却传热技术提出了严峻的挑战。因为在这些高新技术领域中，涉及的大多是微尺度的传热问题，受空间尺度的限制，在传热表面加工翅片或粗糙元十分困难，必须采用新的强化传热手段。纳米材料因具有小的尺寸、大的表面积与体积比率以及独特的光、磁、电、化学和机械特性，为传热强化提供了新的有效途径。
本文作者综述了近年来纳米技术在传热强化领域的研究进展，主要包括纳米流体的传热强化、纳米胶囊潜热型功能热流体的传热强化及纳米涂层表面的传热强化。
1 纳米流体的传热强化
1.1 单相对流传热强化
纳米流体是由美国 Argonne 国家实验室最先提出的强化传热新技术[5]，它是指将粒径小于 100 nm（至少一维）的金属或非金属纳米粒子分散在普通流体（水、油、乙二醇等）中而构成的悬浮液，并要求悬浮液必须均匀、稳定而且能持久，纳米粒子不与传热流体发生化学反应，且纳米粒子不易团聚。目前广泛研究的纳米粒子主要包括 Cu、Al、CuO、Al2O3、TiO2、SiO2及碳纳米管等。大量研究表明[6－8]，纳米流体能的有效热导率比其基础流体有所提高。根据对流传热的基本理论，流体的对流传热系数与其自身的物性有关，纳米流体不仅改变了流体的热导率，而且还改变了流体的密度、比热容、黏度，对纳米流体传热性能进行研究是其实际应用的前提和基础。从目前文献来看，相关研究工作主要包括：纳米流体的对流传热强化、纳米粒子的粒径大小对传热性能的影响以及纳米粒子的体积分数对传热性能的影响。
Duangthongsuk 等[9]实验研究了 TiO2/H2O 纳米流体在套管换热器内的强制对流传热特性，TiO2的体积分数为 0.2%时，纳米流体的对流传热系数提高了 6%～11%，而压降稍有增加，结果表明，Gnielinski方程不能应用于纳米流体的传热系数计算。
Asirvatham 等[10]实验研究 CuO/H2O 纳米流体在管内的稳态对流传热，CuO 的体积分数为 0.003%时，对流传热系数提高了 8%，同时还建立了沿流动方向的局部努塞尔特关系式，实验结果与关系式的计算值吻合良好。Fotukian 等[11]则实验研究了 CuO/H2O 纳米流体在湍流条件下的对流传热与压降性能，CuO 的体积分数为 0.24%时，纳米流体的平均对流传热系数提高了25%，对应的压降增加了20%。
Nguyen 等[12]实验研究了 Al2O3/H2O 纳米流体的对流传热特性。结果表明，当 Al2O3纳米粒子的体积分数为 6.8%时，其对流传热系数比水提高了 40%。纳米流体的对流传热性能与所选用的纳米粒子种类有关，不同类型的纳米粒子呈现不同的强化传热性能，因为不同类型纳米粒子的流体具有不同的电极电位，从而影响纳米流体的微对流特性。
Anoop 等[13]对 Al/H2O 纳米流体在恒热流密度下的层流传热特性进行了实验研究，获得了粒子直径分别为 45 nm 和 150 nm 时的对流传热系数。结果表明，当粒径为 45nm 时，纳米流体的对流传热系数明显高于粒径为 150 nm 的纳米流体，同时还建立了纳米流体在发展区域的对流传热系数关系式。Zhang 等[14]则以 CuO /H2O 纳米流体为对象，实验研究了具有不同CuO粒径大小（23 nm、51 nm和 76 nm）的纳米流体在湍流条件下的对流传热性能。结果表明，所有的纳米流体均能强化流体的对流传热，CuO 粒径为 76 nm 时，纳米流体的对流传热系数最高。纳米粒子的粒径变化将改变纳米流体的物性及其布朗运动特征，从而影响对流传热系数。
Murshed 等[15]实验研究了 TiO2/H2O 纳米流体的强制对流传热性能，TiO2的体积分数为 0.2%～0.8%。实验结果表明，随着纳米粒子体积分数的增加，对流传热系数也增加。Heris 等[16]的研究表明，Al2O3/H2O 纳米流体的对流传热系数随 Al2O3纳米粒子体积分数的增加而增大，当其体积分数为 2.5%时，纳米流体的对流传热系数比水提高了 22%～41%，且压降变化不大。随着纳米粒子体积分数的增大，纳米流体的热导率明显增加，对流传热系数也增大，但也带来压降的增大。
以上研究工作都是针对纳米流体在光滑圆管内进行的，从实验结果来看，无论是在层流还是湍流条件下，纳米流体都能强化单相流体的对流传热，且强化传热性能与纳米粒子的粒径大小及其在流体中的体积分数相关。最近，有学者采用纳米流体与管内强化技术进行复合，研究了不同类型管内插入物对纳米流体单相对流传热强化的影响。
Sundar 等[17]实验研究了扭曲条状插入物对Al2O3/H2O 纳米流体对流传热与压降性能的影响，在纳米粒子的体积分数为 0.5%、雷诺数在 10000～22000 条件下，纳米流体的对流传热系数比水提高了 33.51%，压降则提高了 1.096 倍。Chandrasekar等[18]对管内插入螺旋线圈时，Al2O3/H2O 纳米流体在层流条件下的对流传热进行了实验研究，纳米粒子的体积分数为 0.1%，当雷诺数为 2275 时，对比水流体，纳米流体的努塞尔特数最大提高了21.53%，而压降则相当。Sundar 等[19]在管内设置纵向条形插入物条件下，研究了 Al2O3/H2O 纳米流体的湍流对流传热性能，纳米粒子的体积分数为 0.5%，在雷诺数在 3000～22000 条件下，纳米流体的对流传热系数比水提高了 50.12%～55.73%，压降则是水的 3.6～5.5 倍，同时还建立了努塞尔特数与摩擦系数的经验关系式。Pathipakka 等[20]实验研究了管内设有螺旋扭曲插入物时 Al2O3/H2O 纳米流体的对流传热性能，纳米粒子的体积分数分别为0.5%、1.0%和 1.5%，当雷诺数为 2039 时，1.5%体积分数的纳米流体具有最大的传热强化倍数，努塞尔特数比水提高了 31.29%，同时还采用计算流体力学软件对传热性能进行了数值模拟，模拟结果与实验值吻合良好。
管内插入物促进了纳米流体在管内的螺旋湍动，有助于抑制纳米粒子的团聚，强化了纳米流体与传热表面的扰流，进而强化了对流传热。但管内插入物的结构形式对传热与压降性能的影响很大，选择不合适会导致纳米流体在传热系数提高的同时压降增加较大，采用螺旋线圈具有较好的综合强化传热性能。
Godson 等[21]对纳米流体对流传热的数学建模和强化传热机理进行了综合分析。他们认为，纳米流体在本质上是多组分流体，在理论分析上，对纳米流体的处理方式主要有两种：一是把纳米流体看成是两相均相流且纳米粒子与基础流体间无滑移，它们处于热力平衡状态；二是纳米粒子与基础流体间存在滑移，且处于热力平衡状态，由于纳米流体的复杂性，要建立严格意义上的传热理论模型十分困难。在强化传热机理分析上，一般认为纳米流体热导率的提高是强化传热的主要因素，同时纳米粒子的布朗运动也对纳米流体的传热强化起重要影响。
总体来看，纳米流体的传热强化除与纳米流体的有效热导率有关外，还与纳米粒子的尺寸、形状及分布、微对流、粒子与流体间的相互作用等因素有关。纳米流体的传热强化程度随雷诺数的变化因管径而异，并且与流态有关。采用管内插入物能进一步提高纳米流体的对流传热系数。
1.2 沸腾传热强化
近年来，纳米流体的沸腾传热强化研究也十分活跃。其中，研究最多的是池沸腾传热强化。然而，不同的研究者得出了不同甚至完全相反的研究结果。Taylor 等[22]对纳米流体的池沸腾传热研究进行了系统全面的综述。从中可以看出，许多学者的研究表明纳米流体的核态沸腾传热系数可提高15%～68%，他们中的大部分注意到沸腾传热后纳米粒子在传热表面沉积；另外，也有许多学者的研究表明，纳米流体的池沸腾传热系数下降了 0～40%，这些研究者中大部分则注意到沸腾传热后，传热表面形成了污垢；还有些学者的研究工作表明，对于相同的纳米流体，在同一实验过程中，某些条件下强化了沸腾传热，另一些条件下则恶化了沸腾传热，或者沸腾传热性能几乎没有变化。Das 等[23]也对纳米流体的池沸腾传热研究进行了综述，他们探讨的重点是纳米粒子的直径相对于表面粗糙度对沸腾传热的影响，试图分析纳米流体强化或恶化沸腾传热的原因。
目前，关于纳米流体的流动沸腾传热强化研究远比池沸腾传热研究要少得多，但从相关研究工作来看[24-26]，纳米流体能显著地强化流动沸腾传热。Ahn 等[27]通过对传热壁面的扫描电镜分析认为，纳米流体强化流动沸腾传热最可能的原因是纳米粒子在传热表面的沉积，改变了壁面的润湿特性。Kim等[28]通过对不同类型纳米流体的过冷流动沸腾传热研究也得出相同的结论。
2 纳米胶囊潜热型热流体的传热强化
潜热型热流体是指在普通流体中添加相变胶囊粒子，在传热过程中，相变材料在壳体内发生固液或固固相变，释放（吸收）相变潜热，从而提高流体的比热容。在最初的研究工作中，潜热型热流体中添加的相变粒子其粒径在几十微米至几百微米范围内，相变胶囊粒子的外壳为高分子材料构成，通过聚合反应将相变材料（芯材）包裹在胶囊壳体内。许多学者[29-31]已对微胶囊粒子潜热型热流体的传热性能进行了实验研究和理论分析，结果表明，潜热型热流体能明显地强化流体的对流传热。但是，微米级的相变胶囊因粒径较大而容易引起磨损破裂或在微通道内流动时堵塞通道。若将胶囊粒径从微米级降至纳米级，不仅能有效解决上述问题，而且增大了胶囊表面积与体积的比率，既有利于提高相变材料的相变传热速率，又可以降低相变材料的过冷度。此外，传热流体的输送泵功率也将减小，压降降低。近年来，纳米胶囊的制备成为了材料与能源领域新的研究热点。刘硕等[32]
对纳米胶囊相变粒子的制备方法进行了评述。Kuravi 等[33]对纳米胶囊潜热型热流体在微通道换热器的流动与传热性能进行了实验与数值研究，建立了有效热导率和比热容的数学模型。纳米胶囊直径为 100 nm，相变材料是石蜡，相变温度为30 ℃，传热流体采用不导电油。实验结果表明，当纳米胶囊质量分数为 30%时，潜热型热流体的努塞尔特数是基础流体的 1.2～1.5 倍，压降为 9 kPa，且努塞尔特数和压降随纳米胶囊粒子含量的增加而增大。Hong 等[34]则研究了聚合物纳米胶囊添加到水中构成纳米胶囊潜热型热流体的传热性能，也采用石蜡作为相变材料，相变温度为 27 ℃，纳米胶囊的粒径为 175 nm，当纳米胶囊质量分数为 10%时，潜热型热流体的最大传热系数比水提高了 75%。
从现有研究工作来看，纳米胶囊潜热型热流体能显著地强化单相对流传热，但如何制备具有不同相变温度的纳米胶囊，并获得具有粒径均匀、芯材包裹率高且结构稳定的纳米胶囊粒子还有待深入研究。
3 纳米涂层表面的传热强化
3.1 沸腾传热强化
传热表面结构与特性是影响沸腾传热的重要因素，传统的方法是采用机械加工手段在传热表面加工出多孔结构以提供汽化核心来强化沸腾传热。随着纳米涂层制备方法的进步，能在传热表面微观形貌变化不大的条件下，通过改变传热表面的润湿特性来强化沸腾传热。纳米涂层是将粒径小于100nm 的粒子沉积在传热表面，并能改变传热表面特性的膜。任莹等[35]对纳米涂层的制备方法进行了综述。而从现有强化沸腾传热的研究工作来看，纳米涂层所采用的制备方法主要包括“化学气相沉积”、“纳米流体核态沸腾沉积”、“微反应辅助纳米材料沉积”等。其中，“纳米流体核态沸腾沉积”法最为简单和方便，它是将纳米流体置于传热表面加热沸腾后形成的纳米粒子涂层，该方法最早由 Kim等[36]所提出。
Phan 等[37]采用“纳米流体核态沸腾沉积”法将纳米 TiO2沉积在不锈钢板表面，通过改变传热表面水的接触角大小来提高沸腾传热性能，当水的接触角接近 0°或 90°时，具有最高的沸腾传热系数。
Kwark 等[38]也采用“纳米流体核态沸腾沉积”法，将纳米 Al2O3沉积在铜基材表面，通过改变纳米流体的沸腾参数获得了具有不同厚度和结构的纳米涂层，并实验研究了蒸馏水在不同纳米涂层表面的池沸腾传热性能。结果表明，所有的纳米涂层都能明显强化水的沸腾传热，临界热流密度的大小与纳米涂层的表面润湿特性密切相关。此外，Kwark 等[39]还对纳米粒子的平均粒径、操作压力、加热表面方向以及加热表面尺寸对沸腾传热的影响进行了实验研究。Ahn 等[40]采用“化学气相沉积”法将多壁碳纳米管沉积在硅基材表面，并实验研究了PF5060 在纳米涂层表面的池沸腾传热性能。结果表明，对比光滑硅基材，纳米涂层表面沸腾传热的临界热流密度提高了 40%。Hendricks 等[41]采用“微反应辅助纳米材料沉积”法将纳米 ZnO 沉积在铝基材表面，并以水为实验介质进行了池沸腾传热研究。结果表明，当纳米 ZnO 沉积在铝基材表面时，沸腾传热的临界热流密度达到 82.5W/cm2，而在光滑铝基材表面沸腾时临界热流密度仅为 23.2 W/cm2。
3.2 凝传热强化
滴状冷凝传热系数比膜状冷凝传热系数要高得多，但在普通的传热表面实现滴状冷凝传热十分困难。要实现滴状冷凝，则需改变传热表面粗糙元的形貌以控制传热流体在其表面的润湿特性。采用纳米涂层能有效地在改变传热表面的形貌，进而实现滴状冷凝传热。
Ojha 等[42]分别采用“等离子体强化化学气相沉积”法和“掠射角沉积”法，在硅基材表面沉积具有不同形貌结构的 SiO2纳米涂层，通过测量表面接触角来表征润湿特性。结果表明，涂层表面的纳米尺度影响相变传热过程，具有较高尺寸（30nm）的杆状 SiO2纳米涂层能显著地强化滴状冷凝传热。Lan 等[43]则实验研究了表面自由能和纳米结构对滴状冷凝传热的影响，作者采用“氧化刻蚀”法在铜基材表面制备纳米结构，再在镜面和纳米结构铜基材表面自组装十八烷基硫醇涂层。实验结果表明，在铜基材纳米结构表面并没有获得预期的蒸气滴状冷凝传热性能，然而，通过在冷凝表面实施液固自由能差效应和纳米结构的影响，则能有效地强化滴状冷凝传热。
纳米涂层能有效地强化沸腾与冷凝传热，其强化机理主要是纳米涂层改变了传热表面的润湿特性。但对于沸腾与冷凝传热来说，其自身的强化传热机理不完全相同，如何通过实验研究、可视化观察和理论分析，获得具有对应的特殊结构纳米涂层并深入分析其强化传热机理还有待研究。
4 结 语
纳米材料与技术因其具有独特的功能为强化传热技术的发展提供了新的途径。目前，虽然纳米技术在强化单相及相变传热方面已取得了一定的进展，并积累许多传热性能的数据，但离实际应用还有很大差距，尤其需要加强相关的基础研究，揭示强化传热的本质特征和基本规律，并发展新的强化传热技术。
（1）依靠测试与分析手段的技术进步，完善纳米流体流动与传热特征参数的精确测量与直观显示，发展纳米尺度传热理论，深入揭示纳米流体流动与传热的本质特征和基本规律，探明目前相关研究工作获得不一致结果的根本原因，从而推进纳米流体在传热领域中的应用。
（2）制备无机/高分子双膜纳米相变胶囊粒子，并构成潜热型纳米流体，实现纳米流体与潜热型热流体强化传热优势的结合，进一步提高强化传热效果。
（3）研究纳米流体、纳米胶囊潜热型热流体与扩展表面或粗糙表面的复合强化传热性能，使强化传热效果得到更大提高。
（4）通过纳米涂层的形貌和结构调控，结合实验结果，获得选择性纳米涂层以有效强化沸腾与冷凝传热，并建立相关的强化传热理论。
参 考 文 献略
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