納米流體在汽車冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用

白金曼 唐林 王靜 張皖

中公高遠（北京）汽車檢測技術(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)量的汽車已經(jīng)成為生活不可缺少的交通工具。發(fā)動機作為汽車的動力核心裝置，其整體效率直接影響汽車的動力性、經(jīng)濟性和穩(wěn)定性。通過改善發(fā)動機散熱可以有效提高發(fā)動機效率，然而，單純優(yōu)化冷卻結(jié)構(gòu)已經(jīng)難以滿足發(fā)動機的散熱要求[1-2]。傳統(tǒng)的冷卻劑由水和乙二醇按一定比例組成，這個組合傳熱效率較低[3]，因此需要開發(fā)更高效的冷卻劑。納米流體是含有納米大?。ㄐ∮?00nm）顆粒的流體，具體來說，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，在標準溫度和壓力條件下，其熱導(dǎo)率大約是水的750倍，是發(fā)動機油的3050倍。因此，綜合來看，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。化學(xué)方法是使用化學(xué)反應(yīng)來制備納米流體。一步法的優(yōu)點是減少了納米顆粒的團聚，是更具經(jīng)濟性的一種方法。

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凝結(jié)成納米級顆粒，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?；瘜W(xué)方法在控制粒度、減少團聚方面具有優(yōu)勢，并且可以實現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)納米流體[8-9]。Shenoy等報道了通過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)過超聲處理。需要注意的是，超聲處理的時間、超聲處理的功率都是影響納米流體分散的重要參數(shù)，通過合理調(diào)控以上參數(shù)可有效制備長期穩(wěn)定并分散均勻的納米流體。

2 納米流體在汽車發(fā)動機散熱系統(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標準測試了金屬防腐性能。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。一方面是因為納米顆粒的存在優(yōu)化了流體的熱物性，提高了導(dǎo)熱性；其次，TiO2納米流體增強了納米顆粒、流體和流動通道表面之間的相互作用和碰撞；第三，TiO2納米流體加強了流體的混合波動和湍流。當(dāng)TiO2納米顆粒質(zhì)量濃度為1.0%時，導(dǎo)熱率提高了3%，對流傳熱提高了10%以上。此外，TiO2納米流體具有良好的金屬腐蝕防護能力，流體中的TiO2納米顆粒在循環(huán)條件下對鋁泵無損傷。

2019年，Sanij等[14]對含有Al2O3和TiO2納米顆粒的納米流體的穩(wěn)定性和應(yīng)用進行了總結(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，從而增強了汽車散熱器的傳熱能力。Ashutosh Kumar還研究了納米粒子的類型、濃度和流速對傳熱系數(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，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濃度都增加時，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，主要是源于固體納米粒子的高熱導(dǎo)率及其在基礎(chǔ)冷卻劑中的布朗運動。此外，對于納米離子的流速，發(fā)現(xiàn)隨著流速的增加，傳熱系數(shù)也顯著增加。

綜合來看，在最近20年以來，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）通過對納米流體進行廣泛研究，也證實了納米流體的優(yōu)越性。白敏麗[17]將Cu-H2O納米流體作為內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)中的傳熱工質(zhì)，并利用大型通用CFD軟件針對其冷卻系統(tǒng)進行了整體三維數(shù)值模擬，通過計算發(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發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，可使發(fā)動機工作在更優(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]研究了汽車散熱器中納米流體高溫傳熱的基礎(chǔ)問題，分析了納米流體傳熱強化機制。羅逸等[19]研發(fā)了一種擁有良好防腐性能以及動態(tài)傳熱能力的發(fā)動機優(yōu)能120納米冷卻液，并對納米冷卻液進行了發(fā)動機臺架試驗及尾氣污染物檢測，表明這種冷卻液可以提高發(fā)動機的燃燒效率，改善發(fā)動機的高溫小溫差換熱，還能促進燃油分子燃燒，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)動機納米流體冷卻劑的發(fā)展依賴于納米流體的發(fā)展，納米流體進展緩慢的主要問題如下：

3.1 長期穩(wěn)定性

納米流體的不穩(wěn)定性仍然是主要問題，納米粒子的不穩(wěn)定會導(dǎo)致傳熱速率降低。盡管當(dāng)前還未有研究人員報道出令人滿意的納米流體的穩(wěn)定的時間跨度，但研究者們已經(jīng)采取了許多措施來緩解與納米流體穩(wěn)定性相關(guān)的問題，主要是預(yù)防納米粒子沉降、團聚，其中包括在納米流體中添加一些酸來控制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)量分數(shù)不能無限增加[21]。Pantzali等人[22]報道說，在工業(yè)熱交換器中，大量的納米流體通常會產(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]報告說，在實際系統(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挑戰(zhàn)是會對系統(tǒng)造成腐蝕。由于添加了納米顆粒，在一段時間使用后，會腐蝕系統(tǒng)從而導(dǎo)致泄漏。針對此問題，可以通過冷卻劑中添加防腐劑來緩解[25]。

3.5 高成本

由于納米流體的制備需要使用先進和復(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

納米流體增強傳熱的確切機制仍不清楚，并且在發(fā)動機車輛上的實際應(yīng)用還存在一些問題和挑戰(zhàn)。目前對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)納米流體的研究仍處于起步階段，需要進一步發(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。通過解決這些挑戰(zhàn)，預(yù)計納米流體將對汽車的冷卻劑產(chǎn)生重大影響。